Воздухонагревательные аппараты

9 Воздухонагревательные аппараты

Нагрев дутья в доменном производстве - один из важнейших этапов его развития, сыгравший огромную роль в снижении расхода горючего и повышении производительности доменных печей. Поиски путей повышения температуры дутья привели к созданию регенеративных воздухонагренателей, показавших значительное преимушество по уровню достигаемого нагрева воздуха и быстро вытеснивших из практики все ранее созданпые конструкции. Таким образом они стали преимущественным средством для нагрева доменного дутья до настоящего времени.

9.1. Работа воздухонагревателя.

Регенеративный воздухонагреватель типа «Каупер» имеет металлическую оболочку с днищем, футерованную огнеупорным шамотным кирпичом, называемую кожухом. Основными требованиями, прсдъявляемыми к кожуху, являются максимальная плотность в швах и рассчитанная на избыточное давление до 490 кПа.

В связи со значительным увеличением размеров воздухонагревателей, достигающих по высоте 50-55 м и наружному диаметру 9-13 м, кожухи изготовлиют из низколегированных сталей марок 14Г2, 09Г2С, 10Г2С с толщиной листов 25-40 мм для воздухонагревателя и 20 мм для шахты горения в случае устройстна ее выносной (диаметром 3-5 м). В зарубежной практике применяют также котельную сталь; при этом толщиа поясов в цилиндрической части 29-40 мм (Япония), днища 51 мм на периферии и 32 мм в центре.

Очищенный доменный газ (или смесь доменного и коксового газов), подведенный к воздухонагревателю, подается в камеру горения газовой горелкой совместно с необходимым для сжигания газа воздухом, подаваемым специальной воздуходувной станцией. Продукты сгорания газа поднимаются вверх под купол воздухонагревателя, где происходит их полное сгорание и развивается максимальная температура. Далее продукты сгорания опускаются вниз через каналы насадки. Отдавая насадке свое тепло, они охлаждаются до 150-400 ⁰С и затем отводятся через дымовые клапаны в боров к дымовой трубе. После нагрева насадки по достижении максимально допустимой температуры подкупольного пространства подача газа в камеру горения прекращается. Через поднасадочное пространство, насадку и камеру горения в обратном газу направлении подается воздух, который нагревается, проходя через горячую насадку, и затем через клапан горячего дутья направляется по воздухопроводу горячего дутья в доменную печь.

После охлаждения насадки воздухонагреватель вновь переводят на режим нагрева. Непрерывность подачи дутья обеспечивается наличием блока из тре-четырех воздухонагревателей на печь, из которых попеременно два или три работают в режиме нагрева, а остальные на дутье, в зависимости от их числа и принятой схемы работы (одиночной или попарно параллельной). Режимы нагрева и охлаждения являются основными для работы воздухонагревателя. Кроме этого, он может нахзодиться на “тяге” или быть отключенным.

При работе воздухонагревателя на тяге во время кратковременных остановок печей доменный газ, сгорающий частично в фурменных коленах и кольцевом воздухопроводе, отводится по воздушному тракту в камеру горения одного из воздухонагревателей для полного сгорания. В проектах современных доменных печей эта операция отпадает, так как газ сжигают, помимо воздухонагревателей, на специальных свечах, устанавливаемых около печи с соответствующим “отсечением” их от горячего воздухопровода.

Рекомендуемые материалы

Воздухонагреватель отключают в случае перевода в горячий резерв или ремонта печи, т.е. воздухонагреватель изолируют от газовоздухопроводов и дымового борова с трубой.

Увеличение объемов доменных печей и интенсивности их работы потребовали повышения мощности воздухонагревателей. Считалось, что удельной поверхности нагрева 55-60 м²/м³ полезного объема печи достаточно для нагрева дутья до 1000 ⁰С. Для отечественных цехов удельная поверхность нагрева составляет в среднем 63-64 м²/м³, но для печи объемом 5000, 5500 м³ она принята равной 95-100 м²/м³ полезного объема печи. Для Японии, распологающей в настоящее время максимальной тепловой мощностью воздухонагревателей, этот показатель составляет 70-73 м²/м³ полезного объема печи.

Большое значение придают автоматическому регулированию работы воздухонагревателей как в полуавтоматическом исполнении, так и полностью автоматизированными системами. В первом случае управление каждым клапаном в отдельности кнопочное и контактораное. Во втором случае импульс на перевод клапанов дает фотоэлемент, регистрирующий нагрев камеры горения, соответствующий определенным минимальной и максимальной температурам купола воздухонагревателя в газовом и воздушном периодах работы. Такая система впервые в металлургической практике была применена в 1955 г. на Кузнецком металлургическом комбинате.

9.2 Типы воздухонагревателей

Воздухонагреватели бывают нескольких конструкций:

1. Воздухонагреватель с внутренней камерой горения;

2. Воздухонагреватель с наружней камерой горения;

3. Бесшахтный воздухонагреватель;

4. Воздухонагреватель конструкции Калугина.

Воздухонагрвеатель с внутренней камерой горения. Данный тип воздухонагревателей наиболее распространен в мире. Схема такого воздухонагревателя представлена на рис. 9.1.

Такая конструкция воздухонагревателя обеспечивает достаточно высокую температуру (до 1200 ⁰С) дутья. Однако она имеет ряд существенных недостатков, связанных с расположением камеры горения и камеры насадки в одном кожухе.

· «Короткое замыкание» или прямые перетоки газов между камерой горения и камерой насадки по трещинам и  швам между кирпичами в разделительной стенке, что может  снижать температуру дутья на 100 ^оС. Весьма неприятным  следствием этого является также утечка оксида углерода (СО)  в дымовые газы (до 0,5-1,0%), что может значительно  ухудшить экологическую обстановку и не устраняется даже  при большом избытке воздуха в горелке.

· Наклон камеры горения в сторону насадки (эффект «банана»), который возникает вследствие разных температур кладки камеры горения со стороны кожуха и со стороны насадки, что приводит к взаимным повреждениям и камеры горения и насадки.

· Деформация и обрушение кладки камеры горения, арок штуцера горячего дутья и горелки вследствие ползучести (крипа) огнеупоров под действием высоких температур и давлений в нижней части камеры горения, что особенно проявляется при высоких камерах горения.

· Неравномерное распределение продуктов горения по  насадке, которое достигает + 15%. Это снижает реальный коэффициент полезного действия воздухонагревателей и приводит к появлению трещин в массиве насадки и повреждениям поднасадочных устройств.

· Пульсирующее горение, приводящее к сильной вибрации конструкций, разрушению кладки, нарушению нормального режима эксплуатации. Оно связано с акустическим  возбуждением  высокой  камеры  горения и его  устранение представляет серьёзную проблему. На практике часто вблизи горелки устанавливают большие ёмкости – антирезонаторы, сильно загромождающие пространство.

· Растрескивание огнеупора по условиям термической стойкости при резких колебаниях температур во время смены газового и дутьевого периодов. Наибольшее растрескивание наблюдается в верхней части керамических горелок, где колебания температур кладки между газовым и дутьевым периодом достигает 600 ^оС.

Рис.9.1. Воздухонагреватель с внутренней камерой горения

Воздухонагреватели с выносной камерой горения. Эти воздухонагреватели (рис. 9.2) пришли на смену воздухонагревателям с внутренней камерой горения с целью достижения более высокой температурой дутья и устранения указанных недостатков. Они являются более надежной конструкцией по сравнению с воздухонагревателями с внутренней камерой горения. Наружная камера горения, заключенная в самостоятельный кожух, устраняет воздействие только двух недостатков («короткое замыкание» и эффект «банана»), однако усложняет конструкцию воздухонагревателя, увеличивает его стоимость на 30% и требует для своего размещения значительно больше места. Реально достигается температура горячего дутья 1200 – 1250 ^оС.

Рис. 9.2. Воздухонагреватели с выносной камерой горения.

Следующим этапом развития конструкции явилось появление бесшахтных воздухонагревателей. В бесшахтных воздухонагревателях нет камеры горения и поэтому нет связанных с ней недостатков. Сжигание газа организуется в горелочной системе, установленной на куполе. Первым бесшахтным воздухонагревателем, разработанный Калугиным стал воздухонагреватель с кольцевой форкамерой (рис. 9.3). В основании купола расположена короткая (1м) кольцевая форкамера, в нижней части, которой установлено несколько десятков керамических горелок малого калибра. Кольцевые коллекторы газа и воздуха расположены внутри кожуха, применяется такое же оборудование, что и при керамических горелках. Первый такой воздухонагреватель с динасовым верхом был построен на доменной печи объемом 1500 м³ в 1982 году. Исследования его показали, что практически полное сжигание газа достигается на выходе из форкамеры, пульсирующее горение не возникает, неравномерность распределения продуктов горения по насадке составляет ±5 %. Воздухонагреватель был успешно опробован при работе с температурой горячего дутья 1350 ^оС и работает весьма надежно с температурой горячего дутья до 1220 ^оС. Межремонтный срок службы бесшахтного воздухонагревателя определен в 30 лет, из которых он проработал уже 24 года и находится в хорошем состоянии.

Рис.9.3. Воздухонагреватель с кольцевой форкамерой.

Воздухонагреватель конструкции Калугина (рис. 9.4). Эта конструкция развивает и улучшает конструкцию первого бесшахтного воздухонагревателя с кольцевой форкамерой. Форкамера со струйно-вихревой подачей газа и воздуха установлена на верху купола и имеет независимую опору кладки на кожух. Закрутка струй газа и воздуха в форкамере обеспечивает их интенсивное и полное сжигание газа до входа в насадку, а также весьма равномерное распределение продуктов горение по насадке.

Рис.9.4. Воздухонагреватель конструкции Калугина

Исследование воздухонагревателей Калугина на ряде заводов показали их основные преимущества.

1) Струйно-вихревая система смешения газа и воздуха обеспечивает очень хорошее сжигание газа. Совместные  измерения с фирмой «EKO-Stahl» (ФРГ) позволили определить, что в отходящем дыме при весьма широком изменении концент- рации кислорода (О₂) 0.3¸5.1 % концентрация монооксида углерода (СО) постоянна и составляет 0.0016 % (20 мг/м³), что в 5 раз меньше допустимых норм для ФРГ. Это определяет аппарат как весьма экологически «чистый».

2) «Короткое замыкание» в этих воздухонагревателях исключено и на весь период эксплуатации он остается экологически «чистым» аппаратом.

3) Степень закрутки потоков в форкамере подобрали так, что обеспечивается весьма равномерный вход продуктов горения в насадку (95 – 97 %), что улучшает к.п.д. ее использования.

4) Сопротивление воздухонагревателя невелико и для его работы на полных нагрузках достаточно давления газа перед горелкой около 600 даПа.

5) В воздухонагревателях могут использоваться газ и воздух, подогретые до 500 – 600 ^оС.

6) Пульсирующее горение полностью отсутствует на всех режимах работы.

7) Отсутствует прямой удар факела в кладку и её местный перегрев, что обеспечивает симметричное распределение температур по куполу, насадке, футеровке и кожуху, вследствие чего снижаются температурные напряжения и улучшается стойкость воздухонагревателя.

 8) Общий уровень температур в кладке форкамеры невысок (в среднем около 900 ^оС), а перепады температур кладки между газовым и дутьевым периодом близки к перепадам температур в кладке горелок первого бесшахтного воздухонагревателя с кольцевой форкамерой, которые без ремонта эксплуатируются уже 24 года и находятся в хорошем состоянии. Это  позволяет определить длительный срок службы кладки форкамеры без ремонта (до 30 лет).

9) Конструкция самого купола способствует увеличению срока его службы, т.к. перекрытие широкого пространства над насадкой происходит в куполе форкамеры, который имеет значительно меньший радиус и работает при низких температурах (900 ^оС). Это позволяет при использовании обычных динасовых огнеупоров работать с температурой продуктов горения над насадкой до 1550 ^оС и получить максимальную температуру горячего дутья до 1400 оС. Чем крупнее доменная печь, тем большие преимущества имеет воздухонагреватель Калугина по сравнению с другими типами воздухонагревателей. Гарантированный безремонтный срок службы ВНК составляет 30 лет.

10) Специально для бесшахтных воздухонагревателей были разработаны насадки с диаметром канала 30 и 20 мм и поверхностью нагрева 48.0 м²/м³ и 64 м²/м³ соответственно. За счет развитой поверхности нагрева и высокого коэффициента теплоотдачи этих насадок, а также устранения камеры горения, высота насадки значительно снижается. При высокой тепловой мощности воздухонагреватель становится малогабаритным и достигается существенная экономия огнеупорных материалов  по сравнению с обычными воздухонагревателями.

На рис. 9.5. дано сравнение размеров бесшахтного воздухонагревателя Калугина и воздухонагревателя с внутренней камерой горения для доменной печи объемом 3000 м3 на меткомбинате «ЗСМК» в г. Новокузнецке. Экономия огнеупоров на ВНК составила по весу 50%. ВНК введен в эксплуатацию в 2002 году и работает хорошо. В 2005 году на такой же доменной печи этого комбината введен в эксплуатацию еще один такой же воздухонагреватель и планируется построить третий и по этому же типу провести реконструкцию остальных воздухонагревателей комбината.

Россия.  Новокузнецк.  ОАО "ЗСМК".  ДП 3000 м³

Справа -бесшахтный воздухонагреватель Калугина, в эксплуатации с 2002г.

Слева -три воздухонагревателя с внутренней камерой горения.

Рис.9.5. Сравнительные размеры воздухонагревателей одной тепловой мощности

Сравнительные характеристики воздухонагревателей различных конструкций приведены ниже:

Значительное снижение капитальных затрат и большая экономия на  ремонтах за счет увеличения межремонтного срока службы до 30 лет, возможность увеличения температуры нагрева  дутья до 1300 ^оС, малое гидравлическое сопротивление и работа без пульсаций с весьма низким содержанием вредных выбросов в дыме дают воздухонагревателям Калугина значительные преимущества по сравнению с существующими аппаратами и определяют их как наиболее перспективную конструкцию высокотемпературных воздухонагревателей.

9.3 Назначение и состав оборудования воздухонагревателей

Воздухонагревательный комплекс доменной печи состоит из блока воздухонагревателей и газовых магистралей (рис. 9.6).

Рис. 9.6 Схема расположения блока воздухонагревателей с воздухопроводами и газопроводами.

1 – клапан горячего дутья; 2 – перепускной (выпускной клапан); 3 – клапан холодного дутья; 4 – газовая горелка; 5 – воздушно-разгрузочный клапан; 6 – воздухопровод холодного дутья; 7 – отделительный клапан; 8 – регулировочно-отделительный клапан; 9 – дымовая труба; 10 – общий регулировочный клапан; 11 – газопровод чистого газа; 12 – дымовые клапаны; 13 – дымовой боров; 14 – кольцевой воздухопровод; 15 – смесительный клапан; 16 – предохранительный клапан; 17 – воздухопровод горячего дутья.

На каждом воздухонагревателе установлена одна горелка с регулировочно-отделительным и отделительным клапанами, двумя дымовыми клапанами, одним клапаном горячего дутья, одним клапаном холодного дутья со встроенным перепускным (наполнительным) клапаном и одним перепускным (выпускным) клапаном. Кроме этого на газопроводе чистого газа установлен общий регулировочный клапан.

Газовая горелка предназначена для принудительной подачи воздуха и газа в камеру сгорания. На рис. 9.7 (а) представлена газовая горелка «труба в трубе», керамическая горелка представлена на рис. 9.7 (б).

Регулировочно-отделительный клапан дроссельного типа (рис. 9.8) установлен на газопроводе чистого газа служит для регулирования подачи газа в горелку и ее отделения от газопровода при воздушном режиме воздухонагревателя.

а) б)

Рис. 9.7 Газовая горелка с отделительным и регулировочно-отделительным клапанами (а) и Керамическая горелка (б).

1 – корпус; 2 – вентилятор; 3 – двигатель; 4 – дросселирующее устройство; 5 – регулятор подачи воздуха; 6 – газопровод; 7 – регулировочно-отделительный клапан; 8 – отделительный клапан.

Рис. 9.8 Автоматический регулировочно-отделительный клапан

1 – корпус; 2 – вал; 3 – дроссель; 4 – электропривод; 5 – уплотнений.

Клапан горячего дутья шиберного типа (рис. 9.10) предназначен для отделения воздухонагревателя от воздухопровода горячего дутья при газовом режиме воздухонагревателя. При воздушном режиме через клапан проходит воздух, подаваемый в доменную печь. Общий регулировочный клапан дроссельного типа, установленный на газопроводе чистого газа между воздухонагревателями и газовой сетью завода, служит для автоматического регулирования давления газа, поступающего для обогрева воздухонагревателей. По конструкции он сходен с регулировочно-отделительным клапаном, но не имеет резинового уплотнения.

Рис. 9.10 Клапан горячего дутья

1 – корпус; 2 – крышка; 3 – трубопровод; 4 – уплотнение; 5 – полоса; 6 – перегородка; 7 – задвижка; 8 – трубопровод; 9 – кольцо; 10 – рубашка.

Клапан холодного дутья шиберного типа (рис. 9.11) служит для отделения воздухонагревателя при газовом режиме его работы от воздухопровода холодного дутья и для выравнивания давления в воздухонагревателе при переводе его на воздушный режим.

Рис. 9.11 Кпапан холодного дутья со встроенным перепускным клапаном.

1 - корпус; 2- задвижка; 3- перепyскной (наполнительный) клапан; 4- зубчатая рейка; 5- шестерня; 6- редуктор привода.

Дымовые клапаны тарельчатого типа (рис. 9.12) служат при воздушном режиме воздухонагревателя для отделения его от борова. В газовом режиме работы воздухонагревателя и при остановках доменной печи с взятием ее на «тягу» через воздухонагреватель дымовые клапаны находятся в открытом положении.

26 Кутногорский эдикт - лекция, которая пользуется популярностью у тех, кто читал эту лекцию.

Рис. 9.12 Дымовой клапан воздухонагревателя

1 – корпус; 2 – чугунное седло; 3 – трубы водяного охлаждения; 4 – домкрат; 5 – диск; 6 – фигурный очаг; 7 – вал; 8 – барабан привода; 9 – электродвигатель; 10 – редуктор; 11 – противовес; 12 – штурвал; 13 – смотровой люк.

При переводе воздухонагревателя на воздушный режим после закрытия клапанов холодного и горячего дутья в нем остается сжатый воздух, давление которого препятствует открытию дымовых клапанов. Для выпуска оставшегося воздуха из предусмотрен перепускной (выпускной) клапан тарельчатого типа (рис. 9.13), установленный на штуцере между клапаном холодного дутья и воздухонагревателем и соединяющий поднасадочное пространство с боровом дымовой трубы.

Рис. 9.13 Перепускной (выпускной) клапан воздухонагревателя.

1 – корпус; 2 – вал; 3 – клапан; 4 – тарелка; 5 – электродвигатель привода; 6 – редуктор; 7 – ручной привод.