Удосконалення технології нагріву дуття у доменних повітронагрівниках з метою енергозбереження

Тепловий баланс для камери спалення та підкупольного простору записували у вигляді:

  , (1)

де іпов, іп,   – ентальпії повітря, палива та продуктів горіння кДж/м3;   – втрати теплоти через кладку, кВт; В – витрата палива, м3/с;   – вихід продуктів горіння, м3/м3; Lд – дійсна витрата повітря, м3/м3; Qдис – теплота, яку необхідно витратити на дисоціацію СО2 та Н2О, кДж/м3.

Із цього рівняння можна визначити температуру нагріву повітря (tпов), а якщо прийняти відповідні значення параметрів – розрахувати температури нагріву палива (tп) та газів, що входять у насадку ( ).

Використовуючи результати розрахунків втрат теплоти через кладку стін та куполу повітронагрівників, а також втрати теплоти за рахунок дисоціації СО2 та Н2О продуктів горіння, установили залежність температури газів, що входять у насадку, від теоретичної температури горіння для існуючих різноманітних конструкцій повітронагрівників (рис. 1).

Експериментальним шляхом визначено взаємозв'язок між температурою газів, що входять у насадку (1300-1450С), та теоретичною температурою горіння для аналізованих конструкцій повітронагрівників при опаленні їх природнодоменною сумішшю (3-5% об. природного газу). Порівняння цих даних з результатами, поданими у графічній формі, показали, що їх розбіжність не перевищує 4%. Розроблений метод використано у проекті Укрдіпромезу для розрахунку параметрів повітронагрівників доменної печі № 2 МК «Запоріжсталь» з нагрівом доменного газу та повітря горіння.

Важливим питанням для розробки енергозберігаючих технологій нагріву дуття є точне визначення витрати палива. Згідно з існуючою методикою розрахунку, витрати палива та продуктів горіння визначаються без урахування втрат теплоти через кладку стін ( ), що призводить до заниження зазначених параметрів.

Рівняння теплового балансу для зон насадки з урахуванням втрат теплоти має такий вигляд:

для першої зони

 , (2)

де , ' та ц – тривалість періодів нагріву, дуття та циклу, с;

  – втрати теплоти через кладку камери насадки, КВт.

Знаючи значення витрат продуктів горіння (Vп. с) і дуття (Vо), та, задаючись кінцевою та початковою ентальпіями дуття ( ,  ), розраховували ентальпію продуктів горіння на виході із n-ої зони насадки ( )

 . (3)

Витрату палива з урахуванням втрат теплоти через кладку всього повітронагрівача ( ) визначали із рівняння:

 , (4)

де   – теплота згоряння палива, КДж/м3; КВП – коефіцієнт використання палива;  .

Розрахунки витрати палива та розподілу температур уздовж висоти насадки з урахуванням та без урахування втрат теплоти через кладку показали, що їх відмінність відповідно складає 12 та 16%.

У сучасних повітронагрівниках насадка складається із різноманітних вогнетривів. Для прийнятої розбивки насадки складно урахувати теплофізичні властивості цих вогнетривів, до того ж зона дії крайових умов tг = const невідома. Запропоновано визначати висоту зони дії крайових умов q = const по характерній зміні температур теплоносія у розглянутому періоді, коли швидкість зміни температури постійна. Зони, де ця умова не виконується, відносяться до області дії крайових умов tг = const. Цю умову використовують в інженерному методі розв'зання оберненої задачі теплопровідності, а також при визначенні крайових умов за характером температур на ділянках насадки.

Для визначення зони дії крайових умов розраховували значення питомих теплових потоків при нагріві та охолодженні насадки та поверхні її нагріву. При цьому спочатку приймали висоту зон насадки 3 м, а потім її уточнювали, використовуючи метод ітерацій. Кількість зон розбивки насадки вибирались з умови практичної рівності поверхні нагріву двох останіх зон. Розрахунки показали, що глибина верхньої та нижньої зон, де виконуються крайові умови tг = const, складає 8, 5-9, 3% загальної висоти насадки. Для решти насадки виконуються крайові умови q = const. При цьому насадка ділиться не на 3, а на 14-15 зон.

Рекомендовано використати розроблену математичну модель розрахунку повітронагрівників у вигляді комп'ютерної діалогової системи «Радник газівника доменної печі», що дозволить прогнозувати, аналізувати та вибирати режими експлуатації повітронагрівників.

Поверхня нагріву насадки є одним з основних параметрів, які визначають як габарити повітронагрівника, так і температуру димових газів на виході з насадки.

Нагрів доменного дуття вимагає значних інвестицій (Зін), витрат на паливо (Зп), електроенергію (Зел) та виплат за шкідливі викиди у довкілля (Зв). При зниженні поверхні нагріву повітронагрівників необхідно збільшувати витрати на енергоносії та виплати за шкідливі викиди. Таким чином, існує оптимальне значення питомої поверхні нагріву, коли загальні витрати мінімальні.

Для формулювання критерію оптимальності використали цільову функцію

 , грн/рік; (5)

де  , (6)

 ; (7)

 , (8)

де В – витрата палива, м3/с; Цп, Цел,  , ЦСО – відповідно ціна 1000 м3 палива, 1 кВт/год електроенергії та ціна 1 т викидів NOx і СО, грн; 13, 3 – витрата повітря, м3/с, коли потужність електродвигуна відповідає 100 КВт; р – термін роботи повітронагрівників за рік, с.

Одержали формулу для визначення питомої оптимальної поверхні нагріву

  м2/м3дуття/хв, (9)