Теплонспользующие установки промышленных предприятий

Регенераторы с неподвижной насадкой

Регенеративные аппараты с неподвижной насад­кой широко применяются в металлургической и некоторых дру­гих отраслях промышленности для высокотемпературного на­грева газа и воздуха, а также в холодильной технике. В про­мышленных печах для нагрева газа и воздуха используются регенераторы с насадками строительной конструкции. Сущест­вует два принципиально различных способа кладки насадок (рис. 7.1):

По Сименсу — вертикальными, сообщающимися друг с дру­гом каналами;

По Кауперу — вертикальными, изолированными каналами.

Кладка способом Сименса осуществляется из обыкновенного кирпича горизонтальными рядами, кирпичи кладут на ребро. Она имеет разновидности—ячейки могут быть расположены по одной вертикали или смещены одна относительно другой па полшага. В первом случае получается насадка в клетку или колодцами, во втором — в разбивку или шахматная.

Насадка Каупера представляет собой сплошные вертикаль­ные каналы, горизонтальные поверхности кирпичей соприка­саются и в теплообмене не участвуют. Насадки Каупера отли­чаются большой прочностью, однако из-за меньшей турбулиза - ции потока, чем в насадках Сименса, имеют меньшие коэффн-

Рис. 7.1. Кладка насадки регенератора:

А — па Кауперу: й — по Сименсу

Циенты теплоотдачи. Такие насадки выкладываются из кирпича или специальных блоков с квадратными либо круглыми отверстиями.

Насадка Сименса обладает меньшей прочностью, но зашла- коваипе отдельных ячеек не сказывается так сильно на ее работе.

Кроме того, повышенные коэффициенты теплоотдачи важны для насадочных камер мартеновских печей, так как их объемы ограничены конструктивными условиями компоновки агрегата.

В регенераторах применяются также насадки Петерсона и брусковая. Насадки Петерсона в отличие от насадок Сименса выкладывают из специальных кирпичей с уступами, фиксиру­ющими положение кирпича при кладке. Брусковую насадку выкладывают как и предыдущие, но специальным брусковым кирпичем.

В большинстве доменных воздухонагревателей используют­ся насадки с квадратными каналами 45X45 мм и 60X60 мм, толщина кирпича соответственно 40 и 50 мм. При строительстве и реконструкции воздухонагревателей начали применять блоч­ную насадку типа БНИ-12-2 с круглыми каналами диаметром

41 мм (рис. 7.2).

BL

ЧШ

55

5-6

SHAPE \* MERGEFORMAT

Рис. 7.2. Насадка домен иых воіідухонагр. вателей:

А — uinonjH 45 X -15 мм: 0 — Г)1Ш*12'.>‘. « ПК-2

Насадка такого типа заложена на ряде воздухонагревателей доменных печей большого объема. На некоторых заводах ис­пользуется насадка типа НК-2 с впадинами на больших боковых гранях и ребристые насадки. Разработана технология по созда­нию блочных насадок с уменьшенными по сравнению с БНИ-12-2 диаметрами каналов, такого же типа насадки в ка­честве перспективных рекомендуются Всесоюзным научно-ис­следовательским институтом металлургической теплотехники [84]. Предлагаются также шариковые насадки для использова­ния как в доменном производстве, так и в энергетике для МГД - установок (табл. 7.1).

В мартеновских печах выполняются одно - и двухоборотные насадки. Насадка однооборотных регенераторов выкладывается по Сименсу, так как в насадке такого типа при зашлаковании вертикального канала газы. проникают в него через боковые ходы. Размер ячеек однооборотных насадок большегрузных пе­чей обычно составляет 150X150—180x180 мм.

В двухоборотных регенераторах камеру (первую по ходу продуктов сгорания) выкладывают по Кауперу с размером ячеек 230X230—270x270 мм, а холодную — по Сименсу с ячей­ками 140X140—190X190 мм. Для второй камеры целесообразно применять брусковую насадку, которая характеризуется при одинаковых с насадкой Сименса размерах ячеек большими (примерно на 20%) коэффициентами теплоотдачи и удельной поверхностью нагрева (на 14%).

Государственный стандарт на огнеупорные изделия для воз­духонагревателей устанавливает температурные пределы при­менения огнеупоров (табл. 7.2).

В случае повышения температуры газов на входе в насадку свыше 1600 °С необходимы более стойкие огнеупорные матери­алы. Так, в аппаратах при нагреве дутья для МГД-установок используются огнеупоры на цирконевой основе.

7. 2. Область применения огнеупоров в воздухонагревателях

М. їрка

Огпеупорон

ДВ Изделия динасовые, БЮа не ме­

Нее 93 %

МКВ-72 Изделия муллнтокорундовые, А1^0Я не менее 72%

ШВ-42 Изделия шамотные из основе

Каолина, А1.гОя не менее 42 % ШВ-37 Изделия шамотные, А1=Оя не ме­

Нее 37 %

ШВ-28 Изделия шамотные, А1гОэ не ме­

Нее 28 %

Воздухонагреватели доменных печей, предназначенные для нагрева больших количеств (до 9000—11 000 м3/лшн) дутьевого воздуха до температуры 1100—1500 СС, представляют собой крупногабаритные сооружения цилиндрической формы высотой до 60 м, диаметром до 10 м (рис. 7.3). Так как воздухонагрева­тели регенеративного типа — аппараты периодического дейст­вия, то для непрерывного обеспечения домны горячим дутьем применяют блоки воздухонагревателей. На доменных печах устанавливается от двух до пяти воздухонагревателей. В СССР подавляющее количество доменных печей оборудовано блоками из четырех аппаратов.

Кожух воздухонагревателя выполняется сварным из низко­легированной конструкционной стали марки 10Г2С1 или 09Г2С толщиной 20—30 мм. Снизу к кожуху приваривается дннще. Для уменьшения тепловых потерь в окружающую среду стсны воздухонагревателя, купол и камера сгорания футеруются раз­личными огнеупорными материалами и изолируются.

Насадка воздухонагревателя монтируется на поднасадочном устройстве, состоящем из колонн и решетки (рис. 7.4). Колонны поддерживают решетку и имеют в сечении цилиндрическую или крестообразную форму. Количество колонн (в среднем 12—18) определяется размерами воздухонагревателя.

Поднасадочное устройство выполняется из обычного или жаропрочного чугуна. В первом случае температура уходящих газов поддерживается, как правило, не выше 400 °С, во вто­ром— допускается повышение ее до 600°С. Камера поднасадоч - ного устройства сообщается с воздухопроводом холодного дутья, дымовым боровом и далее с дымовой трубой.

Камеры горения воздухонагревателей имеют в сечениях форму эллипса или окружности. Площадь поперечного сечения камеры горения в виде эллипса меньше, поэтому поверхность нагрева насадки больше, а следовательно, значительнее и по­лезное заполнение объема воздухонагревателя насадкой. Объем

Камеры горения достигает 20—30% общего объема насадочной камеры. Размещение камер горения и насадки в общем корпусе экономично при умеренных расходах, давлении и температуре дутья.

Недостатки воздухонагревателей с внутренней камерой горения, прежде всего малая стойкость камеры, обусловили создание воздухонагревателей с выносной камерой горения.

Размещение камер горения и насадок в отдельных кожухах поз­волило уменьшить диаметры камер, сделать более равномерным распределение газов по сечению насадки. Воздухонагреватели с наружной камерой горения, выполненные из динасовых огне-

Упоров в верхней части, рассчитаны на нагрев дутья высокого давления (до 0,6 МПа) до температуры 1300—1500 °С при тем­пературе под куполом до 1600°С. Однако из-за увеличения поверхностей камер возрастают тепловые потерн и окружающую среду.

На рнс. 7.5 показан пример конструктивного решения возду­хонагревателя с выносной камерой горения.

Перспективными и наиболее рациональными конструктивно являются воздухонагреватели с расположением горелок

В куполе (рис. 7.6). Тепловая мощность таких воздухонагревателей может значительно повыситься за счет увеличения объема (на 25—30%), заполненного насадкой при тех же габаритных раз­мерах его кожуха. Более равномерное распределение газовых потоков по сечению насадки устраняет неравномерные терми­ческие напряжения в кладке, повышает тем самым стойкость и долговечность конструкции. При одинаковой тепловой мощ­ности уменьшаются тепловые потери в окружающую среду. Кроме того, в связи с устранением специальной камеры горения,

Рпс. 7.5. Воздухонагреватель с выносной камерой горения:

/ — камер» насадки; 2 — камора горенил; 3 — штуцер клапана горячего дутья; ••/ — шту­цер гаэпцоЛ горелки: 5 — штуцер дымового клапана

Рис. 7.6. Воздухонагреватель с горелкой в куполе:

/ — насадка: 2—горелки: .7 — подача холодного дугья г» воздухонагреватель; 4 — отвод горячего дутья

Сокращением расхода огнеупоров и металла достигается зиачн - тельная экономия капитальных затрат. Однако создание системы отопления, обеспечивающей полное сжигание больших количеств газа в небольшом объеме подкупольного пространства,— далеко не простая задача; размещение горелок и клапанов на большой высоте затрудняет эксплуатацию таких воздухонагревателей.

Реализации предложенных конструкций бесшахтных воздухо­нагревателей препятствуют также затруднения, связанные с на­дежной и безопасной их работой. В силу названных причин до сих пор крупный промышленный блок воздухонагревателей с гирелками в куполе не построен ни в одной стране. Воздухо­нагреватели с центральной камерой горения, в которой происхо­дит более равномерное распределение продуктов горения по сечению насадки [102], эксплуатировались ранее, однако из-за усложнений при компоновке оборудования не нашли распрост­ранения.

Для стабилизации температуры купола и защиты поднаса- дочного устройства от перегрева предусматривается система регулирования расхода газа и воздуха горения. Расход газа - регулируется поворотной заслонкой, установленной в газопро­воде, расход воздуха — изменением положения заслонок на­правляющего аппарата (на всасывании) либо специальными жалюзи (на стороне нагнетания).

При сжигании топлива коэффициент избытка воздуха изме­няется в широких пределах (а"= 1,0+ 1,5). В случае отопления доменным газом низкой калорийности температура продуктов горения на входе в насадку (под куполом) не превышает 1300—1350 °С. Для повышения температуры применяют смешан­ный газ (доменный газ в смеси с коксовым или природным газом). Не исключается возможность при отоплении воздухо­нагревателей обогащения воздуха горения кислородом, подо­грева воздуха или доменного газа, или того и другого одно­временно.

По мере нагрева насадки возрастает температура отходящих из воздухонагревателя газов. Когда она достигает максимально допустимого значения, система коррекции уменьшает расход газа. Расход воздуха при этом не изменяется, что позволяет не превышать максимально допустимую температуру дыма.

На практике перевод воздухонагревателей осуществляется пли по времени, или по сигналу о полном закрытии смеситель­ного клапана. При переводе воздухонагревателя с нагрева на дутье прекращается подача топлива, закрываются дымовые клапаны и через клапан холодного дутья происходит заполне­ние аппарата воздухом. Холодное дутье с температурой 50— 200 °С и давлением 0,3—0,5 МПа подается от воздуходувной машины через - клапан холодного дутья в поднасадочное прост­ранство.

Температура дутья, поступающего к фурмам доменной печи, автоматически поддерживается на заданном уровне подмешива­нием холодного воздуха к горячему дутью. Датчиком служат термопары, установленные в воздухопроводе горячего дутья. Объем расхода воздуха, проходящего через насадку, регулирует­ся с помощью смесительного клапана, который часть воздуха от расхода дутья пропускает, минуя насадку, подмешивает к горячему воздуху, снижая тем самым его температуру до уста­новленной нормы.

Продолжительности цикла в этом режиме, получившем на­звание последовательного со смесителем, можно выразить через продолжительность периода дутья: тц = пт| (п — количество воз­духонагревателей в блоке).

Для различных воздухонагревателей значение ti колеблется в пределах 0,6—3,5 ч, а продолжительность т0 при полностью автоматизированной перекидке клапанов равна 6—9 мий.

Таком способ регулирования температуры дутья не эффекти­вен, поскольку температура дутья стабилизируется на уровне минимального значения, которое имеет место в конце дутьевого периода. При попарно параллельном режиме работы нагрева­телей стабилизация температуры горячего дутья достигается смешением дутья, поступающего из одного (более нагретого) воздухонагревателя и из второго (менее нагретого), который при обычной, последовательной работе поставлен на нагрев. Продолжительность цикла работы воздухонагревателей тц в этом случае равно 2ть

Для обеспечения режима попарно параллельной работы воздухонагревателей необходимо внести некоторые конструктив­ные изменения: поставить клапаны, автоматически регулиру­ющие расход поступающего в нагреватель холодного воздуха; обеспечить сжигание увеличенного количества топлива (пример­но в 1,5 раза); предусмотреть мероприятия, связанные с уве­личением давления газа перед горелкой и напора вентилятора в 2—2,5 раза. При работе в этом режиме дистанционное управ­ление расходом воздуха исключается, чтобы избежать случай­ной отсечки дутья.

В связи с необходимостью повышения температуры дутья ведутся работы по увеличению теплопроизводнтельности домен­ных воздухонагревателей по следующим направлениям: совер­шенствование конструкций аппаратов; интенсификация и опти­мизация режимов их работы; разработка новых эффективных видов насадок и материалов. В работе [61] приведены основные направления совершенствования доменных воздухонагревателей, обеспечивающих эффективный нагрев дутья для мощных домен­ных печей. Для достижения температуры нагрева дутья 1300— 1400 °С рекомендуются следующие мероприятия.

1. Установить за доменными воздухонагревателями (после насадки) стальные трубчатые газо - и воздухонагреватели, рас­считанные на подогрев доменного газа и воздуха горения до 400°С. Это позволит при отоплении воздухонагревателей домен­ным газом повысить температуру дымовых газов при входе в насадку до 1620° и при выходе из нее — до 550°, а максималь­ную температуру насадки — до 1420°С. Температура дымовых газов, уходящих из газо-воздухонагревателей, понизится до 150 °С, к. п. д. блока воздухонагревателей достигнет 90%.

2. Повысить скорость дутья в насадке до 5—7 м/с (при 0°С).

3. Уменьшить продолжительность воздушного периода до 30 мни.

4. Обеспечить одинаковую продолжительность воздушного

-азового периодов.

Соблюдение этих условий может обеспечить уменьшение поверхности нагрева воздухонагревателей примерно в два раза по сравнению с обычными условиями.

Регенераторы мартеновских печей. Высокую температуру фа кол а в мартеновской печи (1800—1950°С) можно обеспечить только при высокотемпературном подогреве газа (1000— 1200 С) и воздуха горения. В случае работы печи на высоко­калорийном топливе (мазут или природный газ) подогревается только воздух [941.

Камера регенератора’ выложена огнеупорным кирпичом и за­полнена насадкой, которая опирается на поднасадочное устрой­ство. состоящее из кирпичных арок.

В мартеновских печах, как уже указывалось, нашли приме­нение одно - и двухоборотные регенераторы (рис. 7.7). Двухобо - ротпые насадки до последнего времени применялись в крупных печах вместимостью 500 и более тонн. Такие регенераторы по сравнению с однооборотнымн позволяют примерно в 1,5 раза увеличить объем насадки без существенного увеличения ее вы­соты и повысить температуру подогрева воздуха на 30—120 К.

При выборе материала насадки мартеновских регенераторов учитываются температурный уровень и влияние взаимодействия плавильной пыли, уносящейся из рабочего объема печи, с мате-

Риалом верхних рядов насадки. Верхние семь — десять рядов насадки выкладываются высокоизносоустойчивыми кирпича­ми — форстеритовыми, ВЫСОКОГЛ иноземны МИ ИЛИ хромомагнези­тов!,1МИ. Для остальных рядов насадки используются и шамот­ные кирпичи.

Геометрической характеристикой насадки является коэффи­циент стройностн 1=к/У'4Р/к (/г, Р — высота и сечение насадки).

Для мартеновских регенераторов, используемых только при подогреве воздуха, г = 0,7-г-1, для регенераторов, подогревающих и газ.-н воздух, значение I изменяется от 1,07 до 1,42.

Отношение ширины насадки к ее длине в отечественных пе­чах составляет 0,84, 1,21 и 1,62 соответственно для однооборот­ных регенераторов, горячей и холодной камер двухоборотных регенераторов. Высота камер не превышает 7,5 м.

Работа регенераторов мартеновских печей характеризуется, в отличие от доменных воздухонагревателей, короткой продол­жительностью периодов нагрева и охлаждения насадки, кото­рые равны между собой (т. е. т1=тг). Продолжительность на­грева Т] в течение цикла неодинакова: при завалке —

10—16 мнн, плавлении—6—12 мин, доводке—5—10 мин. Расчет регенератора целесообразно вести на максимальную тепловую мощность, т. е. при завалке, а температуру дыма в этот период можно принять в пределах 1400—1450°С.

Для обеспечения хорошей аккумулирующей способности и стойкости насадки ее объем и поверхность выбирают из расче­та, чтобы средняя скорость продуктов сгорания в живом сече­нии насадки соответствовала 0,4—0,6 м/с.

При расчете двухоборотного регенератора отдельно считают данные по горячей и холодной камерам, принимая долю тепла, аккумулированную насадками этих камер, соответственно 25— 33% и 67—75% общего количества тепла, отдаваемого газом.

Мартеновские печи, в которых производится нагрев воздуха и газа, снабжаются двумя парами регенераторов с каждой сто­роны. При расчете таких регенераторов необходимо учитывать тепловую нагрузку на нагрев воздуха и газа. Практически в воздушный регенератор направляется 60—70% продуктов сго­рания.

Регенераторы воздухоразделительных установок предназна­чены для теплообмена между двумя и тремя потоками газа. В первом случае необходимо не менее двух, во втором — не менее трех аппаратов. В воздухоразделительных установках регенераторы выполняют ту же роль, что и теплообменники, т. е. передают тепло от поступающего в разделительный аппа­рат воздуха продуктам его разделения, выходящим из аппарата. Наряду с этим регенераторы выполняют функцию очистки про­ходящего воздуха от влаги и двуокиси углерода выморажива­нием их на насадке.

Обычно в качестве насадки установок глубокого охлаждения служит тонкая (6 = 0,4 мм) гофрированная алюминиевая лента, которая сворачивается в диски. Гофры ленты направлены в про­тивоположные стороны, вследствие чего в дисках образуется большое число извилистых каналов, способствующих интенси­фикации теплообмена. Преимущество металлической насадки по сравнению с кирпичной — большая поверхность теплообмена в единице объема, Например, в 1 м3 объема можно разместить рифленой ленты с 2000 м2 поверхности теплообмена. Кроме того, если на 1 м2 поверхности рекуперативного теплообменника приходится в среднем более 15 кг массы, то в регенераторе — 0.5—0,6 кг.

Для уменьшения влияния теплопроводности вдоль оси реге­нератора насадка выполняется из лент с небольшой высотой гофр (50—115 мм) с прорезями. Прорези и точечные контакты между дисками препятствуют передаче тепла продольной тепло­проводностью. Еще меньше влияние теплопроводности вдоль иен регенератора в аппаратах с насыпной насадкой. В этих регенераторах применяется насыпная каменная насадка из кус­ков базальта размерами 4—10 мм. Регенераторы с такой насад­кой используются для получения чистых кислорода н азота. Свободный объем для этой насадки примерно в 1,5 раза меньше, чем для алюминиевой. Соответственно уменьшается и площадь поверхности теплообмена на единицу объема. Поэтому диа­метр регенератора для базальтовой насадки должен быть боль­ше, чем диаметр регенератора с насадкой из алюминиевой лен­ты, а скорость газов меньше примерно в 2,5 раза. Период на­грева и охлаждения в воздухоразделительных установках длит­ся 3—9 мин, а в регенераторах с базальтовой насадкой — 9—10 мин (из-за большой теплоспособпостн всей массы насадки).