Удосконалення технології нагріву дуття у доменних повітронагрівниках з метою енергозбереження

 

 

Виконано дослідження, пов'язані з підвищенням температури дуття за рахунок збільшення рівномірності розподілу потоку теплоносіїв по поперечному перетину насадки, поліпшення теплообміну у ній та використання теплообмінників для стабілізації температури дуття перед подачою його у доменну піч.

Проблемою підвищення рівномірності розподілу теплоносіїв по перетину насадки займались дослідники ВНДІМТ та Укрдіпромезу, які пропонували для цієї мети збільшити кількість штуцерів подачі дуття і розміщати у піднасадочному просторі металеві екрани.

Метою наших досліджень було підвищення рівномірності потоку теплоносіїв по перетину насадки діючих повітронагрівників. Дослідження на «холодній» моделі (масштаб 1: 50) показали, що нерівномірність у період нагріву має максимальне значення (12, 7-14, 1%) напочатку періоду, а потім вона зменшується до 6, 3%. У період дуття ця закономірність приймає протилежний характер і у кінці періоду нерівномірність досягає 16, 7%. На відміну від відомих досліджень нами на моделі розглянуто вплив різноманітних способів подачі дуття на середню рівномірність потоку теплоносіїв. Досліджували 12 режимів подачі дуття, які відрізнялись терміном та черговістю подачі дуття через штуцери. Рекомендовано новий динамічний спосіб подачі холодного дуття, який полягає у тому, що спочатку дуття подають через два штуцери почергово, а потім одночасно з однаковою тривалістю, яка дорівнює 0, 33 періоду дуття. Цей спосіб було експериментально досліджено на повітронагрівниках ДГМК «Криворіжсталь». Дослідження показали, що середня нерівномірність потоку дуття зменшилась з 14, 5 до 6, 8%, що привело до збільшення температури гарячого дуття на 20С та економії коксу 2, 4 кг/т чавуну.

Виконали порівняльний аналіз параметрів повітронагрівників при підтриманні заданої температури під куполом подачею надлишкового повітря та рециркулюючими продуктами горіння. При цьому ентальпія при теоретичній температурі ( ) визначається як

  КДж/м3. (14)

Витрату палива з урахуванням рециркуляції (Вр) визначали з рівняння

  м3/с, (15)

де Vр та ір – витрата, м3/с та ентальпія рециркулюючих газів, КДж/м3.

Розрахунки показали, що при використанні рециркуляції продуктів горіння збільшується середня температура дуття на 18С за рахунок підвищення витрати продуктів горіння, що призводить до зростання коефіцієнтів тепловіддачі конвекцією у насадці. При цьому економія палива сягає 7, 5%.

Регенеративний спосіб нагріву дуття у повітронагрівниках характеризується нерівномірністю температур продуктів горіння та дуття. Різниця температур дуття за період складає 120-170С, що потребує стабілізації його температури. Нині з цією метою використовують холодне дуття. Ю. Г. Ярошенко і Я. М. Гордон виконали дослідження повітронагрівників з шаровою насадкою, у теплообмінній масі якої знаходиться плавка речовина. Такий тип насадки дозволяє збільшити кількість акумульованої теплоти і таким чином підвищити середню температуру гарячого дуття.

Нами для стабілізації температури дуття після повітронагрівача пропонується використати вогнетривкі насадки, розміщені на байпасі змішувача. В теплообмінній масі цих насадок передбачається застосувати плавку речовину (ядро). При цьому використовується фізичне явище фазового перетворення речовини з твердого стану у рідкий і навпаки. При зміні температури теплоносія спостерігається фазовий перехід матеріала ядра, що приводить до поглинання або виділення значної кількості теплоти, яка у декілька разів перевищує його теплоємність.

Розглянуто теоретичні питання використання теплоти плавління та кристалізації речовини для підвищення середньої температури дуття на прикладі теплообмінного елементу теплового акумулятора для стабілізації температури дуття.

Питаннями плавління та кристалізації тіл займались М. О. Глінков, Б. Я. Любов, Й. Д. Семикін, Е. М. Гольдфарб, Л. А. Бровкін, Н. П. Свинолобов, В. М. Ольшанський, В. І. Тимошпольський, Ю. Я. Самойлович та інші.

Теплообмінний елемент теплового акумулятора являє собою порожнистий циліндр (стакан) з внутрішнім радіусом R та товщиною , який виготовлений із вогнетривкого матеріалу, що витримує температуру 1350С. Цей стакан заповнюється плавкою речовиною, температура плавління якої дорівнює середній температурі дуття.

Згідно з дослідними даними температура дуття на виході повітронагрівника зменшується прямолінійно. Тому приймали, що питомий тепловий потік, підведений до теплообмінного елементу, також зменшується прямолінійно від максимального значення спочатку періоду дуття до нуля у кінці його півперіоду, коли ядро розплавляється. Таким чином, підведений середній тепловий потік (q1) дорівнює половині його максимального значення.

Розглядали плавління прогрітих тіл із збереженням розплаву на поверхні. В. М. Ольшанським установлено, що границя розподілу прогрітих і непрогрітих тіл визначається числами Косовича (Ко), починаючи з 5 (Ко  5).

При роз'язанні задачі приймали, що кількість підведеної теплоти витрачається на подолання прихованої теплоти плавління та на перегрів розплавленого шару

 , (16)

де FR та FR- – відповідно поверхні початкового розплавленого тіла та твердого залишку, які для циліндра є змінними, м2;  – поточна координата розплавленого шару; qпл – прихована теплота плавління, КДж/кг; Мр і Ср – відповідно маса (кг) та теплоємність розплаву (КДж/кгК) ;   і tр – середня температура розплаву та перепад температур у шарі розплаву;

 ,   (17)