Реконструкция печи гомогенизации в условиях «СПЦ – 1» ОАО «ОЭМК» с целью снижения расхода топлива. Часть 2

Страницы 1 2 3 4

---

специальная часть

 

3.1. Технологическая характеристика печи гомогенизации

 

Печь гомогенизации относится к пламенным печам. Теплообмен в пламенных печах представляет собой сложный процесс, который складывается из теплоотдачи излучением и конвекцией. В высокотемпературных печах с рабочей температурой более 750-800⁰С преобладает теплообмен излучением, в низкотемпературных печах с рабочей температурой менее 400-450⁰С преобладает конвекция, в промежуточной области одинаково значимую роль играют оба вида теплообмена. В плавильных печах и печах для нагрева металла перед обработкой давлением преобладающим видом теплообмена является излучение. В процессе передачи тепла излучением в рабочем пространстве таких печей участвуют практически три компонента: пламя (раскаленные газы), кладка и нагреваемый материал. Всем им свойственны свои температуры и радиационные характеристики [1, 2, 3, 4, 7].

Теплообмен излучением описывается уравнением Стефана-Больцмана:

где  — количество тепла, Вт;

— степень черноты;

— постоянная;

— температура газа;

— температура материала.

Теплообмен конвекцией описывается по уравнению Ньютона-Рихмана:

где  — количество тепла, Вт;

— коэффициент теплоотдачи конвекцией, Вт/(м²*К);

— поверхность теплообмена, м²

— температура газа, ⁰С;

— температура материала, ⁰С;

— продолжительность теплообмена, сек.

И уравнение теплопроводности имеет следующий вид:

где  — количество тепла, Вт;

— коэффициент теплопроводности, Вт/(м*К);

— толщина слоя, участвующего в теплообмене, м;

— температура на границе первого слоя, ⁰С;

— температура на границе второго слоя, ⁰С.

 

Печь гомогенизации может работать в двух режимах как печь гомогенизации и как печь нагрева.

Заготовки выдаются из печей нагрева с температурой 1200⁰С, когда печь работает в режиме гомогенизации. Когда печь работает в режиме нагрева, транспортированные из склада заготовки в холодном состоянии загружаются в печь. Транспортированные к загрузочному окну заготовки автоматически позиционируются на рольганге по отношению к продольной оси печи.

При гомогенизации, печь работает в камерном режиме, загрузка садки массой 600 т шарикоподшипниковой стали, приходящей непосредственно от печи нагрева, продолжается 2 часа при ритме 300 т/час.

При нагреве, печь работает в проходном режиме, загрузка стали, приходящей со склада заготовок, производится темпом 5 т/час. Печь, со своим оборудованием и своей системой регулирования обеспечивает качественный нагрев металла до температуры прокатки 1250⁰С на поверхности с разницей температур по длине заготовки на верхней поверхности 20⁰С. Средняя производительность печи составляет 5 т/час.

В обоих случаях выдача металла выполняется механизмом выдачи, управляемым в ритме производительности реверсивного стана.

Механизм перемещения литых заготовок – шагающие балки. Установлены горелки: плоскопламенная BFMG6, в количестве 60 штук, и двухпроводная горелка с регулируемой длиной факела FR4, в количестве 26 штук.

Коэффициент избытка воздуха печи – 1.1.

Топливо – природный газ.

 

3.2. Расчеты горения топлива

 

3.2.1 Расчет горения топлива при существующем режиме

 

Печь гомогенизации отапливается природным газом, [1] состав которого, %: , , , ,

Стехиометрические реакции горения топлива:

CH₄ +2O₂=CO₂+2H₂O;

C₂H₆+3.5O₂=2CO₂+3H₂O;

C₃H₈+5O₂=3CO₂+4H₂O

C₄H₁₀+6,5O₂=4CO₂+5H₂O

Находим расход кислорода для сжигания газа при коэффициенте расхода воздуха n=1.0:

— V_O2=0.01[0.5(CO+H₂+3H₂S)+S(m+n/4)C_mH_n] ;                                                           

— V_O2=0.01(2×98,74 + 3,5×0,36 + 5×0,1 + 6,5·0,04)= 1,99 м³/м³;

— Расход воздуха при n=1.1;

— Vв = 1,1(1+3,762)×1,99 = 10,45 м³/м³.

 

Находим состав продуктов сгорания:

— V_CO2=0.01(CO₂+2C₂H₆+3C₃H₈+4C₃H₈ + CH₄);

— V_CO2=0.01(98,74+ 2×0,36 +3×0,1 + 4·0,04)= 1,0 м³/м³;

 

— V_H2O=0.01(H₂O+H₂+H₂S+0.5SnC_mH_n) ;

— V_H2O=0.01[0.5(4×98,74+6×0,36+8×0,1+10·0,04)]=1,99, м³/м³;

 

— V_N2=0.01N₂+nkV_O2=0.01×0,76+3.762×1,99 = 7.79 м³/м³ ;                                      

 

V_O2^¢=(n-1)V_O2=(1.1-1)×1,99=0,199 м³/м³

при  n=1.1

Суммарный объем продуктов сгорания:

 

V_п.с=V_CO2+V_H2O+V_N2+V_O2^¢=1,0 + 1,99 + 7,79 + 0,199 =10,98 м³/м³

 

Процентный состав продуктов сгорания

 

CO₂=1,0/10,98 ×100=9,11 %               N₂=7,79/10,98 ×100=70,95 %

H₂O=1,99/10,98 ×100=18,12 %                    O₂=0,199/10,98 ×100=1,81 %

 

Правильность расчета проверяем составлением материального баланса.

 

 

Расхождение, определяемое погрешностью расчета, составляет 0,46 кг.

 

Для расчета калориметрической температуры горения находим низшую теплоту сгорания газа:

3.2.2 Расчет горения топлива в воздухе, обогащенном кислородом

 

Теперь рассчитаем горение природного газа в воздухе, обогащенным кислородом (содержание О₂=35%). Найдем расход воздуха, состав, количество продуктов сгорания и калориметрическую температуру горения.

При расчете горения природного газа в воздухе, обогащенном кислородом, следует учесть, что на единицу объема О₂ в воздухе приходится N₂/О₂=65/35=1,96 единиц азота. Некоторые результаты расчетов берем из п.3.2.1.

Находим расход кислорода для сжигания газа при коэффициенте расхода воздуха n=1.0

 

V_O2=0.01(2×98,74 + 3,5×0,36 + 5×0,1 + 6,5·0,04)= 1,99 м³/м³

Расход воздуха при n=1.1

Vв = 1,1(1+1,96)×1,99 = 6,48 м³/м³

 

Находим состав продуктов сгорания:

V_N2=0.01N₂+nkV_O2=0.01×0,76+1,96×1,99 = 3,91 м³/м³                                               

 

Суммарный объем продуктов сгорания:

 

V_п.с=V_CO2+V_H2O+V_N2+V_O2^¢=1,0 + 1,99 + 3,91 + 0,199 =7,1 м³/м³

 

Процентный состав продуктов сгорания

 

CO₂=1,0/7,1 ×100=14,1 %                  N₂=3,91/7,1 ×100=55,1 %

H₂O=1,99/7,1 ×100=28 %                   O₂=0,199/7,1 ×100=2,8 %

 

Правильность расчета проверяем составлением материального баланса.

 

Расхождение, определяемое погрешностью расчета, составляет 0,32 кг.

При горении в воздухе обогащенным кислородом энтальпия продуктов сгорания равна:

Из результатов расчета видно, что обогащение воздуха, расходуемого на горение газа, кислородом уменьшает расход воздуха, количество продуктов сгорания, а, следовательно, увеличивает калориметрическую температуру горения.

3.3. Расчет температурного режима и времени нагрева           металла

 

В нашем случае горячее изделие С загружается в горячую печь.

Площадь тепловоспринимающей поверхности металла: [1]

Площадь внутренней поверхности рабочего пространства печи (за вычетом площади, занятой металлом):

Степень развития кладки:

Эффективная средняя длина луча:

Период нагрева

1интервал. Изменение температур поверхности металла, кладки и продуктов сгорания.

Средние за интервал температуры равны:

Парциальное давление излучающих компонентов продуктов сгорания:

 

по графикам на рисунке 21,22,23 [1] при  находим:

Находим результирующий поток на металл. Принимаем степень черноты металла равной  и кладки  (приложение VI [1]), находим значение комплексов:

 

Нагреваемое изделие является сложной формы, образованной пересечением трех бесконечных пластин.

Заготовку прямоугольного сечения с b/h  1,8 можно представить в виде эквивалентного цилиндра с диаметром (табл. 7 [1]):

Для заготовок, у которых отношение длины к эквивалентному диаметру  можно пренебречь передачей тепла через торцевые поверхности.

В случае четырехстороннего нагрева, согласно табл. 7 [1] коэффициент несимметричности нагрева равен  и расчетная толщина:

из приложения IX [1] а=2,1*10^-2 при t_м=1115⁰С

Найдем температуру в середине заготовок в конце периода нагрева. Для этого по номограмме на рис. 18 [1] при значениях  и , находим

 

Средняя по массе температура заготовок:

Период выдержки.

В конце периода выдержки перепад температур по сечению должен быть равен

Тогда степень выравнивания:

По кривой 1 графика на рис 27 [1] находим, значение критерия Фурье для периода выдержки

интервал

Нагрев металла с 1180 до 1200⁰С

Средние за интервал температуры продуктов сгорания и поверхностей металла и кладки равны:

 

Находим степень черноты продуктов сгорания:

 

по графикам на рисунке 21,22,23 [1] при  находим:

 

Находим результирующий поток на металл. Принимаем степень черноты металла равной  и кладки  (приложение VI [1]), находим значение комплексов:

 

Теперь:

 

Коэффициент теплоотдачи излучением во второй период нагрева:

 

С учетом конвективного теплообмена:

 

из приложения IX [1] а=2,15*10^-2;

Найдем температуру в середине заготовок в конце 2 периода нагрева. Для этого по номограмме на рис. 18 [1] при значениях  и , находим

Период выдержки.

Степень выравнивания:

 

По кривой 1 графика на рис 27 [1] находим, значение критерия Фурье для периода выдержки

 

III. интервал

Нагрев металла с 1200 до 1220⁰С

Средние за интервал температуры продуктов сгорания и поверхностей металла и кладки равны:

Находим степень черноты продуктов сгорания:

 

по графикам на рисунке 21,22,23 [1] при  находим:

 

Находим результирующий поток на металл. Принимаем степень черноты металла равной  и кладки  (приложение VI [1]), находим значение комплексов:

3.4. Расчет рекуператора

 

Производим расчет радиационного рекуператора, работающего в системе комбинированного радиационно-конвективного рекуператора.

Температура воздуха на входе в радиационный рекуператор . Конечная температура подогрева воздуха . Температура дымовых газов на входе в рекуператор . Количество подогреваемого воздуха . Количество дымовых газов . Состав дымовых газов, %: 8,96 СО₂, 17,89 Н₂О, 73,2 SN₂.

Толщина стенки рекуператора  [13].

Для определения температуры дымовых газов на выходе из рекуператора составляем уравнение теплового баланса. В металлическом рекуператоре утечками воздуха в дымовые каналы пренебрегаем, а потери тепла принимаем равными 14,8%, округляем до 15 %. Теплоемкость дымовых газов на входе в рекуператор () (см. чертёж № 6)

Для определения суммарного коэффициента теплоотдачи принимаем скорость движения воздуха .

Зная расход и скорость воздуха, можно найти поперечные размеры рекуператора.

Сечение кольцевого канала для прохода воздуха . Принимаем ширину кольцевого канала для прохода воздуха b=20 мм. Тогда средний диаметр кольцевого канала для прохода воздуха:

При толщине стенки 6 мм диаметр трубы для прохода дымовых газов: (см. чертёж № 7)

d_в = 1100-20-2*6=1068 мм

Сечение дымового канала:

Скорость дымовых газов:

 

Коэффициент теплоотдачи конвекцией на воздушной стороне.

Определим режим течения воздушного потока. По средней температуре воздуха . Кинематический коэффициент вязкости согласно приложению 4 равен:

Фактическая средняя скорость воздуха:

 

Поскольку Re>10000, коэффициент теплоотдачи на воздушной стороне определяем с помощью графика на рис. 53 [1]. При скорости движения воздуха  и приведенном диаметре канала 0,0403 .

 

Коэффициент теплоотдачи на дымовой стороне:

где  — коэффициент теплоотдачи конвекцией;

— коэффициент теплоотдачи излучением.

 

Находим коэффициент теплоотдачи конвекцией. Средняя температура дымовых газов:

Действительная средняя скорость дымовых газов:

Согласно рис. 51[1] при скорости движения дыма  и диаметре канала d_д=1,068 м коэффициент теплоотдачи конвекцией .

Находим коэффициент теплоотдачи излучением . Поскольку температура дымовых газов на входе и выходе из рекуператора различна, коэффициент теплоотдачи излучением для верха и низа рекуператора находим отдельно.

 

Низ рекуператора.

Согласно номограмме на рис. 21,22,23[1].

 

Принимая температуру стенки равной t_ст=800⁰С и степень черноты , коэффициент теплоотдачи излучением:

 

где  — степень черноты дымовых газов при температуре стенки.

Эффективная степень черноты стенки определяется по формуле:

Верх рекуператора.

Считаем t_ст=400⁰С, отсюда находим:

Так как предлагается подогревать воздух, идущий на горение, до 600⁰С, то учитывается необходимость реконструкции рекуператора, а именно: применять жаропрочную сталь типа Х25Т или Х25Н18Т, повысить геометрию, изменить параметры входа дымовых газов в газоход рекуператора.

Всё это было учтено при расчетах.

Результаты свидетельствуют о том, что данный рекуператора способствует лучшей работе печи гомогенизации.

3.5. Расчёт тепловых балансов печи

 

Тепловой баланс печи будем считать 4 раза.

 

3.5.1. Расчет теплового баланса до реконструкции футеровки

 

Для горения используется обычный воздух, подогретый до 400.

 

А. Приход

Тепло от горения топлива

(В – расход топлива, м³/с, при нормальных условиях)

Тепло вносимое подогретым воздухом:

 

Тепло экзотермических реакций (принимая угар металла 1%):

 

где Р – производительность, т/час

а – угар металла, кг/кг.

 

Б. Расход

Тепло, затраченное на нагрев металла:

 

При средней температуре , теплоемкость металла равна С_м=0,987. Приложение IX [1].

Тепло, уносимое уходящими газами:

Потери тепла теплопроводностью через кладку. Потерями тепла через под пренебрегаем. Рассчитываем только потери через и стены печи.

 

Потери тепла через свод.

Площадь свода принимаем равной площади пода.

Площадь свода = 27,55*13,22=363,66 м²

Свод футерован следующими огнеупорными материалами.

Первый слой:

МКВ-72 ()  ()

Второй слой:

МКРР-130 ()  ()

Третий слой:

МКРП-340 ()  ()

 

Тогда потери тепла через свод:

 

Потери тепла через стены.

Стены печи состоят из следующих слоев:

Первый слой:

ША-42 ()  ()

Второй слой:

ШЛ-0,9 ()  ()

Третий слой:

ШЛ-0,4 ()  ()

Четвертый слой:

МКРП-340 ()  ()

 

Площадь стен: 2*4,1*27,55=226 м²

Уравнение теплового баланса:

5560В+35861В+4708=9733+17299В+1194+4556В+4971В

В=0,43 м³/с

 

3.5.2. Расчет теплового баланса до реконструкции футеровки, с использованием нагретого воздуха, обогащенного              кислородом до 35%

 

А. Приход

Тепло от горения топлива

(В – расход топлива, м³/с, при нормальных условиях)

Тепло вносимое подогретым воздухом:

Б. Расход

Тепло, затраченное на нагрев металла:

Потери тепла теплопроводностью: 1194 кВт

Потери тепла с охлаждающей водой:

 

Уравнение теплового баланса:

 

5297В+35861В+4708=9733+11768В+1194+4527,4В+4939В

В=0,31 м³/с

 

т. е расход природного газа для первого случая:

 

0,43*3600=1548 м³/ч

 

и второго случая:

 

0,31*3600=1116 м³/ч

 

В результате имеем экономию топлива 27,9 %.

 

3.5.3. Расчет теплового баланса с новой футеровкой

 

Для горения используется обычный воздух, подогретый до 400.

 

А. Приход

Тепло от горения топлива

(В – расход топлива, м³/с, при нормальных условиях)

Тепло вносимое подогретым воздухом:

Тепло экзотермических реакций (принимая угар металла 1%):

 

Б. Расход

Тепло, затраченное на нагрев металла:

При средней температуре , теплоемкость металла равна С_м=0,987. Приложение IX [1].

Тепло, уносимое уходящими газами:

Потери тепла теплопроводностью через кладку. Потерями тепла через под пренебрегаем. Рассчитываем только потери через свод и стены печи.

 

Потери тепла через свод.

Площадь свода принимаем равной площади пода.

Площадь свода = 27,55*13,22=363,66 м²

Свод футерован следующими огнеупорными материалами:

Первый слой:

бетон огнеупорный марки САЛБТ ()  ()

Второй слой:

СМКРБТ (смесь огнеупорная бетонная) () ()

Третий слой:

МКРП () ()

 

Тогда потери тепла через свод:

 

 

Потери тепла через стены.

Стены футерованы следующими огнеупорными материалами:

Первый слой:

маты высокотемпературные МКРП () ()

Второй слой:

ШЛ-0,4 ()  ()

Третий слой:

СМКРБТ (смесь огнеупорная бетонная) () ()

Площадь стен: 2*4,1*27,55=226 м²

Количество тепла, теряемое теплопроводностью через стены:

Общее количество тепла теряемое теплопроводностью:

 

Потери тепла с окружающей водой, по практическим данным, принимаем равным 11% от тепла вносимого топливом и воздухом:

 

Неучтенные потери принимаем равными 12 % от той же величины:

 

Уравнение теплового баланса:

 

5560В+35861В+4708=9733+17299В+1070+4556В+4971В

В=0,417 м³/с

 

3.5.4. Расчет теплового баланса с новой футеровкой, с использованием воздуха, обогащенного кислородом до 35%, и нагретого до 600 ⁰С

 

А. Приход

Тепло от горения топлива

(В – расход топлива, м³/с, при нормальных условиях)

Тепло вносимое подогретым воздухом:

 

Тепло экзотермических реакций (принимая угар металла 1%):

 

Б. Расход

Тепло, затраченное на нагрев металла:

 

Тепло, уносимое уходящими газами:

Потери тепла теплопроводностью: 1070 кВт

Потери тепла с охлаждающей водой:

Уравнение теплового баланса:

 

5297В+35861В+4708=9733+11768В+1070+4527,4В+4939В

В=0,305 м³/с

 

т. е расход природного газа для первого случая:

 

0,417*3600=1501 м³/ч

 

и второго случая:

 

0,305*3600=1098 м³/ч

 

В результате имеем экономию топлива 36,7 %

 

3.6. Выводы

 

Таким образом, на основе выполненных расчетов можно сделать вывод, что при проведении ряда мер по реконструкции печи гомогенизации, а именно, при добавлении кислорода в вентиляторный воздух, замене футеровки на более совершенную и подогреве воздуха в рекуператоре до 600⁰С, значительно снижается расход топлива:

— обогащение кислородом воздуха, расходуемого на горение газа, уменьшает расход воздуха на 37,8%; количество продуктов сгорания на 35,04%, и, как следствие, увеличивает калориметрическую температуру горения с 1951⁰С до 2490,94⁰С; и действительную температуру с 1560,8⁰С до 1992,8⁰С.

— применение новой футеровки позволяет уменьшить расход топлива на 46,8 м³/ч (или 3,5%)

— общая экономия топлива при проведении всех мероприятий составляет 36,7%.

 

---

Страницы 1 2 3 4