УДК 669.162.267.4
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ ПОТЕРЬ В ДОМЕННОЙ ПЕЧИ ПРИ ВДУВАНИИ В ГОРН ПЫЛЕУГОЛЬНОГО ТОПЛИВА1
© Андреев Владимир Иванович, директор, е-mail: agp@azovgipromez.com.ua;
Поздняков Александр Владимирович, главный инженер, е-mail: agp@azovgipromez.com.ua
ООО «ГИПРОМЕЗ». Украина, г. Мариуполь
Курбатов Юрий Леонидович, канд. техн. наук, е-mail: dgtu@inbox.ru; Мишин Иван Васильевич, е-mail: mishin@mail.ua; Пикалов Денис Сергеевич, е-mail: denispikalov32@yandex.ru Донецкий национальный технический университет. Украина. г. Донецк. E-mail: put@fizmet.dgtu.donetsk.ua
Статья поступила 19.04.2014 г.
Проведены исследования изменения потерь тепла при работе доменной печи с применением пылеугольного топлива (ПУТ). Показано, что применение ПУТ способствует увеличению потерь тепла по отношению к тепловой мощности печи от 1,15% при работе без ПУТ и неизношенной футеровке до 3,7% при расходе ПУТ 187 кг/т чугуна и максимальном износе футеровки. Тепловые потери, отнесенные к тепловой мощности печи, за вычетом химического тепла колошникового газа увеличиваются соответственно от 2,78 до 8,81%.
Ключевые слова: доменная технология; пылеугольное топливо; тепловые потери; излучение; конвекция.
Замена дорогостоящего кокса пылеугольным топливом (ПУТ) с одновременным выполнением компенсирующих мероприятий (подготовка шихты, повышение температуры дутья, обогащение дутья кислородом) сопровождается существенным ростом производительности доменных печей (до 50%).
Вдувание ПУТ сопровождается также интенсификацией тепловых процессов. Сгорание ПУТ, удельная поверхность которого в 300-500 раз больше, чем кокса, сопровождается образованием облака расплавленных частиц золы. В результате резко интенсифицируется (по сравнению со сжиганием кокса) теплообмен излучением в фурменном очаге, следствием чего является, с одной стороны, повышение перегрева продуктов плавки, а с другой стороны, увеличение тепловых потоков и тепловых потерь через фурмы и стены вблизи фурм.
Повышение производительности доменных печей (ДП) при переходе на ПУТ-технологии сопровождается усилением механического, абразивного, химического и теплового воздействия шихты и газов на обмуровку,
...3
приводя к уменьшению толщины огнеупорной кладки и стойкости гарнисажа и, как следствие, к увеличению тепловых потерь.
Методика определения тепловых потоков. Тепловые потоки по нормали к обмуровке стен ДП, по сути, являются тепловыми потерями в окружающую среду. По высоте ДП следует выделить участки 1-5 (рис. 1), определение значений расчетных тепловых потоков на которых методически отличается.
Участок 1 - неохлаждаемая верхняя часть шахты. Обмуровка стены состоит из слоя шамота, слоя набивки из шлако-асбестовой массы и стального кожуха. Тепловой поток определяется по уравнению стационарной теплопередачи [1, 2]
Q =
u-t.
1 / а + IL + iL + R^
■Fi, Вт,
где ^ - температура начальной стадии теплопередачи, равная температуре шихты на расчетном уровне (см. рис. 1), °С;
Температура материала и газа по высоте доменной печи, °С 400 800 1200 1600 2000
4-
8-
12-
16-
3 20«
24-
28
Рис. 1. Изменение температуры шихты (сплошная линия) и газа (штриховая линия) по высоте ДП
1 Работа выполнена под руководством проф. Донецкого национального технического университета, д-ра техн. наук С.Л.Ярошевского.
0
0
£. - температура конечной стадии теплопередачи, равная температуре окружающей среды, °С; 1/а - внешнее тепловое сопротивление на стадии передачи тепла свободной конвекцией с коэффициентом теплоотдачи (а) от наружной поверхности кожуха к окружающей среде, м2-К/Вт; Л = 5/Х - внутренние тепловые сопротивления, (м2-К)/Вт; X - коэффициент теплопроводности слоя, Вт/(м-К); Р1 - расчетная площадь поверхности теплопередачи, принятая равной площади наружной поверхности кожуха на высоте участка 1, м2; Лш - тепловое сопротивление слоя шамотной футеровки, зависящее от степени ее изношенности.
Участок 2 - охлаждаемая часть шахты, распар и заплечики. В настоящей работе анализ тепловых потерь сделан для системы охлаждения, состоящей из холодильных плит, расположенных вплотную к кожуху. Холодильная плита не является однородной и состоит из чугунной основы с пазами, заполненными шамотом, и вмурованного в плиту стального змеевика, по которому циркулирует охлаждающая вода. Внутренняя футеровка состоит из шамота. В случае максимального износа футеровки на поверхности плиты может образоваться слой гарнисажа. Тепловой поток (отдельно для охлаждаемой части шахты, распара и заплечиков) определяется по уравнению стационарной теплопередачи [1-3]
<2 =
-Г, Вт,
ДШ+Дпл+ К где tи - температура начальной стадии теплопередачи, равная температуре шихты у внутренней поверхности стены на расчетном уровне, °С;
- температура конечной стадии теплопередачи, равная температуре на линии расположения змеевиков в холодильной плите; температура, определенная по специально разработанному способу, не намного отличается от температуры охлаждающей воды, °С; Лш = Sш/\ш - тепловое сопротивление слоя шамотной футеровки определялось в зависимости от степени износа; Л = S /X - тепловое сопротивление плиты;
пл пл пл *
Хпл - усредненный коэффициент теплопроводности плиты, определенный по специально разработанному способу, зависящий от объемной и поверхностной доли шамотных пазов, Вт/(м-К); Л = S /X - тепловое сопротивление слоя
гсж гсж гсж *
гарнисажа.
Рис. 2. Расчетная схема фурменной зоны
Влияние расхода ПУТ на тепловые потери на участках 1 и 2 учитывалось по рекомендациям компании БашеН Сог^ БУ (Эймеден, Нидерланды)2 основанных на экспериментальных исследованиях профиля с помощью износных стержней и термопар. Специалисты компании делают вывод, что тепловые потоки увеличиваются пропорционально производительности печи вследствие повышения скорости схода шихты и появления нерегулярных высокоскоростных периферийных газовых потоков, протекающих между стенкой и шихтой.
Участок 3 - очаг фурменной зоны (рис. 2) -представляет собой полость, окруженную раскаленным коксом, заполненную циркулирующими потоками воздушного дутья, газообразных продуктов горения кокса и ПУТ, частицами расплавленной золы и кокса и каплями жидких продуктов плавки. Торцевая поверхность фурмы воспринимает тепловые потоки конвекцией и излучением из полости фурменного очага; боковая поверхность получает тепловые потоки излучением непосредственно от раскаленного кокса, а также излучение из фурменной зоны, частично экранированное коксом. Оценка доли конвективного теплообмена показала второстепенное значение конвекции, поэтому ниже приводится методика расчета тепловых потоков только излучением по общей расчетной схеме (см. рис. 2).
Плотность теплового потока излучением qТ на медную (м - медь) торцевую поверхность можно представить как сумму плотностей от газового объема (г - газ) qГМ и от внутренней поверхности (п - поверхность) полости фурменной зоны (Ф.З) qПМ
qт = ^м + Мпм, Вт/м2.
2 Информация из технического предложения (документ № Р002646-ТР, редакция 1, от 18.12.2012 г.), которое компания БашеН Сог^ БУ направила в адрес ПАО «Алчевский металлургический комбинат» при замене футеровки ДП-1 (с применением интегрированной конструкции кожуха, футеровки и системы охлаждения Hoogovens®), запланированной на 2013/2014 гг.
Плотность тепловых потоков излучением определяется по закону Стефана-Больцмана [3, 4]
#ГМ = £ГМСТ0 ( Гг4 — Тм )>
Чпъл = епмст о (Тп — 7м), где Тг, ТП, ТМ - температура газового объема Ф.З, поверхности Ф.З и медной поверхности фурмы, К; а0 = 5,67-10-6, Вт/(м2-К) - коэффициент излучения абсолютно черного тела; 8ГМ - приведенная степень черноты системы «газ-медь»; 8ПМ - приведенная степень черноты системы «поверхность-медь», 8ГМ и 8ПМ определяются по формулам Тимофеева [4]
_ вгеп(1 + фпм(1-вг)(1-ег)) ьгм —
епем(1 ЕГ)
В
11 пм
В
В = 1 - (1 - 8г) (1 - 8П) (ФПП + ФПМ (1 - ег) (1 -где фПП + фПМ - угловые коэффициенты «поверхность-медь», «поверхность-поверхность»;
Фпм = ^м/(^м +
Фпп = ^м + ^п), где РМ, РП - площади поверхностей «поверхности Ф.З» и «меди»; 8М - степень черноты «меди» (определяется по справочникам для окисленной меди); 8П - степень черноты «поверхности» (определяемая как среднемассовая степень черноты кокса и продуктов плавки); 8Г - степень черноты «газа», т.е. газового объема полости Ф.З. Определяется по специально разработанной методике, подробно изложенной в [5].
В основе методики лежит способ определения коэффициента поглощения запыленного потока, предложенного С.С.Кутателадзе и В.М.Борщанским в работе [6]. Степень черноты, равная коэффициенту поглощения, определяется в зависимости от концентрации частиц золы ПУТ после сгорания.
Плотность теплового потока излучением на боковую поверхность фурмы qБ определяется как сумма потоков от раскаленного кокса (к - кокс) qКМ и экранированного коксом от газового объема ф.3 qгм
qб = qкм + ^м, Вт/м2;
9км = екм°о ( ^к ~~ Тм ) ;
9гм = егмсто (^г4 — ^м) •
Приведенная степень черноты системы «кокс-медь» одинакова для всех расходов ПУТ и
равна [3, 4] 8км = 8к Ем.
Приведенная степень черноты системы «газ-экран-медь» £гм = е^4 РЭкр>
Рис. 3. Участки стен фурменной зоны
где рэкр - часть газового объема Ф.З, достигающего боковой поверхности через слой кокса.
Участок 4 - стены фурменной зоны (рис. 3) -представляет примыкающий к фурме участок стены высотой 1,5 м и шириной, равной шагу фурм. Особенностью участка 4 является существенное влияние охлаждаемых амбразур на тепловые потоки. Для повышения точности расчета участок разделен на уровни: 1 и 6, где влияние амбразур не существенно; 2 и 5, где влияние амбразур значительно; 3 и 4, где влияние амбразур наиболее сильно. При расчете тепловых потоков принято, что стены находятся в непосредственном контакте с раскаленным коксом, а излучение из газового объема фурменной зоны практически полностью экранировано слоем кокса.
Плотность теплового потока для участка 4 определяется как теплопередача от слоя кокса через слой огнеупорной футеровки к охлаждающему элементу [3, 4]
q = - ¿Д1/а + Вт/м2, где ^ - температура начальной стадии теплопередачи,
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.