СПОСОБ ЦИКЛИЧЕСКОГО НАГРЕВА ДОМЕННЫХ ВОЗДУХОНАГРЕВАТЕЛЕЙ
CYCLIC HEATING METHOD OF HOT-BLAST STOVES

Изобретение относится к области высокотемпературного нагрева дутья и может быть использовано в доменных воздухонагревателях.
В настоящее время процесс нагрева доменных воздухонагревателей ведут при практически постоянных или медленно изменяющихся расходах продуктов сгорания и их температуре. Расход продуктов сгорания определяется предельными характеристиками работы горелочных устройств, используемых вентиляторов, а также временем работы воздухонагревателей на нагрев, а его температура - используемым типом огнеупоров, калорийностью используемого топлива и типом горелочного устройства.
Известны результаты исследований ступенчатых режимов нагрева воздухонагревателей (Шкляр Ф.Р., Малкин В.М., Каштанова С.П., Калугин Я.П., Советкин В.Л. Доменные воздухонагреватели: конструкции, теория, режимы работы. - М.: Металлургия, 1982, 176 с. с ил., С.158). Эксперименты проводили для режима нагрева, осуществляемого в две ступени с постоянным суммарным расходом топлива за период нагрева. При этом изменяли относительный расход топлива на первой ступени нагрева и относительное время первой ступени нагрева. В результате было получено, что оптимальным является режим с постоянным в течение всего периода нагрева расходом топлива. Этот режим, по мнению исследователей, позволяет при лучшем использовании тепла насадки, получить относительно более высокую температуру горячего дутья.
Однако, в случае неизменного, либо медленно изменяющегося расхода продуктов сгорания и их температуры в течение периода нагрева технологический процесс нагрева характеризуется следующими недостатками: пониженным коэффициентом теплоотдачи от продуктов сгорания к насадке; неравномерностью распределения скоростей потока по ее сечению и как следствие температурными перекосами, пониженным КПД воздухонагревателя и температурой горячего дутья, подаваемого в доменную печь, что в конечном итоге приводит к перерасходу дорогостоящего кокса.
Заявлен способ циклического нагрева доменного воздухонагревателя, включающий нагрев, который ведут в циклическом режиме с высокотемпературными и низкотемпературными периодами, при этом при высокотемпературном периоде устанавливают температуру продуктов сгорания равной 1,01-1,2, а при низкотемпературном периоде - 0,8-0,99 от средней температуры за отдельный интервал времени нагрева и/или устанавливают пониженный и повышенный расход продуктов сгорания 0,99-0,5 и 1,01-1,5 соответственно от среднего расхода продуктов сгорания за отдельный интервал времени нагрева.
Этот режим представляет собой процесс управляемой температурной и аэродинамической нестационарности, который за счет дополнительной турбулизации газового потока на границе поверхности теплообмена приводит к уменьшению толщины пограничного слоя между потоком теплоносителя и поверхностью теплообмена насадки, что в свою очередь позволяет повысить коэффициент теплоотдачи от продуктов сгорания к материалу насадки воздухонагревателя. Это приводит к повышению КПД работы каждого воздухонагревателя в блоке и к увеличению температуры горячего дутья. Управляемая нестационарность подачи продуктов сгорания, подаваемых в насадку, способствует также более равномерному газораспределению и, как следствие, повышению равномерности нагревания насадки, что также приводит к увеличению температуры дутья и долговечности работы воздухонагревателя.
При высокотемпературном периоде цикла температуру продуктов сгорания устанавливают равной 1,01-1,2, а при низкотемпературном 0,8-0,99 от средней температуры за отдельный интервал времени нагрева или максимальной эксплуатационной температуры насадки и купола воздухонагревателя - температуры применения огнеупоров. При температуре в высокотемпературном периоде цикла меньшем 1,01 от температуры применения огнеупоров уменьшается интенсивность теплообмена между потоком газов и насадкой воздухонагревателя и все показатели процесса нагрева ухудшаются. Повышение же температуры более 1,2 от температуры применения огнеупоров позволяет еще больше интенсифицировать процесс теплообмена и увеличить температуру горячего дутья, однако обусловливает опасность оплавления огнеупоров купола и насадки воздухонагревателя. При этом температура в низкотемпературном периоде цикла должна быть в диапазоне 0,8-0,99 от температуры применения огнеупоров, так как при снижении этой температуры (меньше 0,8) скорость движения тепловой волны хотя и увеличивается, однако ее температура уменьшается и показатели процесса нагрева ухудшаются.
Нагрев также ведут в циклическом режиме с периодами с пониженным и повышенным расходами продуктов сгорания циклического режима. При этом пониженный и повышенный расход продуктов сгорания устанавливают в соотношении 0,99-0,5 и 1,01-1,5 соответственно от среднего расхода продуктов сгорания за отдельный интервал времени нагрева. Превышение расхода от среднего более чем в 1,5 раза нецелесообразно, в связи с ухудшением качества сжигания топлива и перерасходом электроэнергии, так как вентилятор, подающий воздух горения, выходит из области максимального КПД, а также с увеличением капитальных затрат на установку более мощных вентиляторов и горелочных устройств.
Количество циклов за период нагрева устанавливают равным 4-40. Количество циклов меньше 4 не дает значительного улучшения теплотехнических показателей процесса нагрева, что нецелесообразно, а увеличение их количества более 40 может привести к неуправляемым пульсациям (автоколебаниям) в отдельных элементах дымового тракта воздухонагревателя, что может привести к сокращению ресурса его работы.
Амплитуду изменения температуры и/или расхода продуктов сгорания, в зависимости от конкретных производственных условий и возможностей, устанавливают либо постоянной (одинаковой) в каждом цикле, либо в каждом последующем цикле уменьшают в 1,05-1,5 раза по сравнению с предыдущим циклом, что позволяет исключить возможный перегрев огнеупоров в конце нагрева, либо амплитуду температуры продуктов сгорания в каждом последующем цикле увеличивают в 1,05-1,5 раза по сравнению с предыдущим циклом. При этом вариант с постоянной амплитудой изменения температуры в каждом цикле целесообразно использовать с применением простейших систем автоматического управления. Варианты с уменьшающейся/увеличивающейся амплитудами, либо изменяющимися по произвольному графику, как более эффективные, требуют более сложных и надежных систем управления, причем величину уменьшения/увеличения амплитуды в каждом последующем цикле устанавливают в диапазоне 1,05-1,5 раза исходя из условий достижения заданной амплитуды к концу периода нагрева воздухонагревателя. Аналогично амплитуде может изменяться частота циклов.
При организации циклического режима с изменением температуры продуктов сгорания с целью повышения средней за период нагрева температуры соотношение длительности низкотемпературного и высокотемпературного периодов устанавливают равным: 0,2÷1,0:1,0. Значение данного соотношении менее 0,2 не вносит в технологический процесс требуемой нестационарности и процесс становится близок по своим характеристикам к процессу с постоянной температурой, а более 1,0 - к снижению средней температуры.
Необходимую температуру в низко- и высокотемпературных периодах циклического режима обеспечивают путем сжигания топлива в каждом периоде цикла при минимальном коэффициенте расхода (избытка) воздуха равном 1,05-1,15 путем регулирования калорийности смешением топлив с различной теплотворной способностью (например, доменный и природный газ, доменный и коксовый газ, водоугольная эмульсия и мазут и др.), либо если требуемая температура продуктов сгорания не обеспечивается - изменяют коэффициент расхода/избытка воздуха в сторону его увеличения. Такая организация процесса горения топлива позволяет уменьшить его расход ориентировочно на 4-5%.
Таким образом, при циклическом изменении температуры и/или расхода продуктов сгорания, подаваемых в доменный воздухонагреватель, а также установлении оптимальной частоты, формы и амплитуды циклов достигается интенсификация процесса нагрева доменного воздухонагревателя. Технический результат, достигаемый заявленным способом, заключается в повышении температуры горячего дутья и КПД воздухонагревателя.
Предлагаемый способ нагрева относится к отдельному воздухонагревателю и не зависит от количества доменных воздухонагревателей, работающих в блоке, от режима работы блока доменных воздухонагревателей (последовательный, попарно-параллельный, смешанный, параллельный и т.п.), типа горелочного устройства, применяемой системы отопления (с внешней или внутренней камерой горения, бесшахтный и др.) и используемой насадки, используемых для отопления видов топлива (доменный, коксовый, природный, смешанный газ, мазут, водно-угольная эмульсия и пр., а также их смеси).
Пример. Изобретение иллюстрируется рисунками, где на фиг.1, 2 соответственно представлено изменение относительного расхода продуктов сгорания и температуры за время нагрева при постоянной амплитуде, частоте и форме, на фиг.3 - с уменьшающейся амплитудой, на фиг.4 - с изменяющейся формой, частотой и амплитудой циклов, на фиг.5 -изменение температуры продуктов сгорания за время нагрева при уменьшающейся амплитуде и средней температуре. Пунктиром на всех рисунках показано среднее значение параметра за время нагрева. Предлагаемый способ может быть реализован следующим образом. Расход продуктов сгорания определяют по расходу топлива и окислителя (воздуха). Температура продуктов сгорания может измеряться или рассчитываться, либо для ведения процесса может использоваться температура купола, в определенной степени отражающая температуру продуктов сгорания. Циклический режим с одновременным увеличением температуры и уменьшением расхода в одни периоды цикла, с уменьшением температуры и увеличением расхода в другие сравнительно легко организовать путем изменения коэффициента расхода (избытка) воздуха за счет периодического изменения расхода воздуха или топлива. Если температуру продуктов сгорания необходимо поддерживать постоянной, а необходимы только циклы по количеству продуктов сгорания, то это осуществляется одновременным изменением расхода воздуха и топлива при постоянном соотношении топливо-воздух. Это можно реализовать даже при ручном или дистанционном управлении. В более сложных случаях задание на расход продуктов сгорания устанавливают в автоматизированной системе управления в соответствии с графиком, изображенным, например, на фиг.1, 4. При этом, в зависимости от применяемого способа регулирования, соответственно устанавливают задание либо на расход газа, либо на расход воздуха. Среднее значение расхода продуктов сгорания устанавливают аналогичным базовому режиму (без циклов). При этом соотношением газ-воздух поддерживают необходимую температуру купола, связанную с температурой продуктов сгорания. Количество циклов за период нагрева устанавливают в диапазоне 4-40 в зависимости от возможностей используемой системы управления воздухонагревателями. Амплитуду - в диапазоне 0,5-1,5 от среднего значения расхода за период нагрева. Аналогично расходу воздуха изменяют температуру продуктов сгорания путем изменения соотношения топливо-воздух, а при использовании двух видов топлива, например, "богатого" газа (природный или коксовый) и "бедного" газа (доменный) - соотношением "богатый газ-бедный", а процесс сжигания топлива ведут при минимальном коэффициенте расхода (избытка) воздуха 1,05-1,15. При этом значение максимальной температуры устанавливают с коэффициентом 1,0-1,2, например, в диапазоне до 150°C выше температуры применения для данного типа огнеупоров а минимальную такой, чтобы среднюю температуру за период цикла поддерживать на уровне не превышающем максимально допустимую для данного типа огнеупоров. Амплитуда температуры в цикле находится в диапазоне 300°C, а период цикла - 2-15 минут. При реализации способа возможно также сочетание циклического изменения как расхода продуктов сгорания (фиг.1), так и их температуры (фиг.2), а также различные формы изменения амплитуды (фиг.3) и сочетание изменения амплитуды, частоты и формы циклов (фиг.4). На фиг.5 показан график изменения температуры продуктов сгорания в случае, когда ее среднее значение уменьшается в течение периода нагрева. Таким образом, с использованием современных средств управления и регулирования можно реализовать необходимое, в соответствии с предлагаемым способом циклического нагрева, независимое изменение расхода продуктов сгорания и их температуры.
Результаты моделирования работы доменных воздухонагревателей по известному и предлагаемому способам показывают, что за счет вводимой управляемой температурной и аэродинамической нестационарности технологического процесса Ьагрева коэффициент теплоотдачи увеличивается на 3-5%, что приводит к соответствующему увеличению КПД работы воздухонагревателя, а также увеличению температуры горячего дутья на 30-50°C.