Учебное пособие по дисциплине «Энергосбережение в промышленных печах» для бакалавров направления 5310100 «Энергетика

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПРОМЫШЛЕННЫХ ПЕЧАХ ,
1-1. НАЗНАЧЕНИЕ ПЕЧЕЙ. ОБЩАЯ СХЕМА УСТРОЙСТВА ПЕЧИ. КЛАССИФИКАЦИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПЕЧЕЙ
В основе многих технологических процессов лежит тепловая обработка материалов и изделий: нагрев и плавление металлов, обжиг строитель­ного и огнеупорного кирпича, обжиг фарфора и других керамических изделий, получение вяжущих материалов (цементного клинкера, изве­сти, гипса), получение стекла, термическая переработка топлива и т.д. Тепловая обработка материалов и изделий осуществляется в техноло­гических или энерготехнологических агрегатах — промышленных печах, в которых материалам или изделиям в условиях относительно высоких температур придаются свойства, необходимые для дальнейшей обработ­ки или* для выпуска в качестве конечного продукта. Так, в нагрева­тельных печах стальные слитки или заготовки приобретают повышен­ную пластичность и текучесть, необходимую для прокатки и ковки. В чугунолитейных вагранках чугун переходит из твердого состояния в жидкое, при котором он хорошо заполняет пустоты форм для отли­вок. Химический состав чугуна при его расплавлении может быть изме­нен в зависимости от требований, предъявляемых к литью (серый чугун, жаропрочный чугун и т. д.). В некоторых термических печах стальные изделия нагреваются, а затем охлаждаются по заранее опре­деленному режиму, чем достигается получение определенных механи­ческих свойств путем изменения внутренней структуры металла без изменения его химического состава (отжиг, нормализация, закалка и отпуск). В печах для термохимической обработки стальных изделий металл нагревается для того, чтобы облегчить, насыщение поверхности, металла углеродом (цементация) или азотом (азотизация) или одно­временно углеродом и азотом (цианирование).
В печах для тепловой обработки материалов одновременно проте­кает ряд сложных процессов — газификация и горение топлива, движе­ние дымовых газов в рабочем пространстве, передача тепла от горяще­го факела и дымовых газов к обрабатываемому материалу (непосред­ственно или посредством вторичного излучателя — кладки), продвиже­ние тепла от поверхности изделий внутрь, экзотермические и эндотер­мические процессы при превращении обрабатываемого материала и т. д. Все эти сложные процессы взаимно связаны, их совокупность со­ставляет суммарный процесс тепловой обработки, и они не могут рассматриваться изолированно. Ведущими из этих процессов являются процессы передачи тепла.
Источником тепла в топливных (пламенных) печах является топ­ливо: газ, мазут, угольная пыль, каменноугольный кокс, бурый уголь, каменный уголь и т. д. Химическая энергия топлива при его сжигании превращается в тепловую энергию, носителем которой являются про­дукты сгорания. В настоящее время, главным образом в черной металлургии, разрабатываются проекты получения тепловой энергии в ядер­ных промышленных установках.
В электрических печах тепловая энергия, получается, посредством преобразования в нее электрической энергии. Источником тепла могут быть электрическая дуга (в дуговых печах), электрические нагревате­ли (в печах сопротивления) или тепло возникает в толще нагреваемых изделий, помещенных в электрическое поле промышленной или боль­шой частоты (в индукционных печах). Ниже будут рассмотрены пла­менные печи, а об электрических печах будет дано лишь общее пред­ставление.
Гениальный русский ученый М. В. Ломоносов после установления физической сущности теплоты и открытия закона сохранения материи и энергии дал в трактате «О вольном движении воздуха, в рудниках примеченном» (1742 г.) строгое определение причин движения газов в полостях печей. В 1763 г. в труде «Первые основания металлургии или рудных дел» М. В. Ломоносов указал на зависимость хода плавки от свойств руды и топлива, изложил «действие огня в самодуях», т. е. объяснил работу дымовых труб, самодувных печей и т. д., а также высказал мысль об использовании тепла отходящих от печей газов. В 1822 г. французский ученый Фурье изложил теорию распространения тепла внутри твердых тел и дал решения частных случаев нагрева тел в труде «Аналитическая теория тепла». Значительное влияние на раз­витие печной теплотехники оказали труды выдающегося русского ме­таллурга В. Е. Грум-Гржимайло, опубликовавшего в 1905—1909 гг. гидравлическую теорию печей, в которой сформулированы основные принципы построения печей с естественным движением газов. Матема­тическое обоснование этой теории дал И. Г. Есьман (1910 г.). Гидрав­лическая теория печей положила начало развитию теории печей и сыг­рала в свое время положительную роль в строительстве печей с есте­ственным движением газов. Однако в дальнейшем, когда появилась необходимость строить быстродействующие печи с принудительным движением газов, она была оставлена, как мешающая дальнейшему развитию печей. Тепловые расчеты печей были применены русским металлургом Н. Е. Скаредовым, положившим начало тепловым расче­там мартеновских печей (1912—1915 гг.).
Неоценимым вкладом в теплотехническую науку явились труды акад. М. В. Кирпичева и его сотрудников (А. А. Гухмана, М. А. Михеева, Г. П. Иванцова и др.) по теории подобия физических процессов и моделирования. Зна­чение метода моделирования (в том числе огневого моделирования) очень велико. С помощью этого метода представилось возможным в ла­бораторных условиях обстоятельно изучить вопросы движения газов, конвективного теплообмена, теплопроводности и сложных комплексных задач по теплообмену в печах. Заслуживают высокой оценки ориги­нальные работы по теплообмену в печах и по нагреванию и охлажде­нию тел, выполненные Г. П. Иванцовым, Д. В. Будриным, В. Н. Тимо­феевым, Г. М. Кондратьевым, С. Н. Шориным, А. С. Невским и други­ми советскими учеными.
В настоящее время теория печей, базирующаяся на теории тепло­обмена, теории тепловых балансов, газомеханики и теории горения топ­лива, позволяет строить высокопроизводительные и высокоэкономич­ные печи на заводах различных отраслей промышленности.
Общая схема устройства печи и назначение ее от­дельных элементов. Промышленная печь в общем случае состоит из основных элементов, указанных на рис. 1-1.
В топочном устройстве (топке) химическая энергия топлива превращается в фи­зическое тепло газов, частично передающих его обрабатываемому материалу. В топке могут сжигаться различные виды топлива: газообразное (природный газ, коксовый, генераторный и т. д.), жидкое мазут) и твердое (каменный и бурый угли, кокс, антра­цит, дрова и торф). В зависимости от рода топлива, типа печи, ее назначения и про­изводительности топочное устройство имеет ту или иную конструкцию и размеры.
В рабочем пространстве печи осуществляется заданный технологический процесс (плавление шихты, нагрев различных изделий и т. д.). Материал лежит на поду печи, имеющем форму ванны (у плавильных, печей) или плоскости (у нагревательных и обжиговых печей). Материал чаще всего перемещается в рабочем пространстве при помощи того или иного транспортного устройства. В плавильных печах шихта непо­движна, но загрузка шихты обязательно механизируется.
Устройство рабочего пространства должно быть таким, чтобы передача тепла от газов к материалу осуществлялась наиболее рациональным способом и в количестве, обеспечивающем требуемую производительность печи. Форма рабочего пространства различна: оно может иметь вид камеры (камерные печи), шахты (шахтные печи), туннеля (туннельные печи) и т. д. В рабочем пространстве непрерывным потоком движут­ся дымовые газы. Роль движения газов в процессе теплообмена очень велика, и, кроме тсго, движение газов является средством управления процессами теплообмена я горе­ния. Размеры рабочего пространства зависят от производительности печи и теплового режима ее работы. Например, печи для нагрева стальных заготовок встречаются с пло­щадью пода от 0,25 до 60 м² и более, а вращающиеся печи для обжига цементного клинкера имеют длину барабана до 150 м и более.
Для сохранения высоких температур дымовых газов в рабочем пространстве печи ее стенки выполняют из огнеупорных я теплоизоляционных материалов, являющихся плохими проводниками тепла. Следовательно, охлаждение газов в рабочем простран­стве идет в значительной мере за счет полезной отдачи тепла нагреваемому материалу.
Внутренняя поверхность огнеупорной кладки используется как косвенная поверх­ность нагрева для передачи тепла от газов к материалу лучеиспусканием.



Рис. 1-1. Общая схема устройства печи.
1 — топочное устройство; 2 — рабочее пространство; 3 — регенеративное устройство: 4 — котел-утилизатор; 5 — дымосос; 6 — вентилятор.


В регенеративном устройстве физическое тепло дымовых газов, уходящих из ра­бочего пространства печи, частично регенерируется, т. е. передается теплоносителю, направляющемуся снова в рабочее пространство печи. Регенерация осуществляется при помощи воздуха или воздуха и газообразного топлива (если печь работает на газе), подогреваемых теплом отходящих дымовых газов.
При подогреве воздуха и газообразного топлива температура горения топлива по­вышается, а следовательно, повышается и температура рабочего пространства печи. Во многих случаях достижение температур, необходимых для данного технологического процесса, невозможно без высокого подогрева воздуха и газообразного топлива. Так, например, выплавка стали в мартеновских печах, для. осуществления которой темпера­тура факела (потока горящих газов) в плавильном пространстве должна составлять 1800—2000 °С, была бы невозможна без подогрева воздуха и газа до 1000—1200 °С. При отоплении промышленных печей низкокалорийным местным топливом (влажные дрова, бурый уголь) работа их без подогрева воздуха часто даже невозможна. При подогреве газа и воздуха повышается также экономичность работы печи, т. е. уменьшается относительный (удельный) расход топлива, а к. п. д. соответственно воз­растает.
Аппаратами, в которых производится подогрев воздуха и газообразного топлива, являются регенераторы и рекуператоры. В обжигательных печах силикатной промыш­ленности тепло, аккумулированное в обожженных изделиях, после завершения обжига (кирпича, цементного клинкера и т. д.) регенерируется при помощи воздуха, поступаю­щего на горение.
Теплоиспользующее устройство служит для использования тепла отходящих газов. Очень часто в этих газах при выходе из рабочего пространства содержится тепла зна­чительно 'больше, чем требуется для нагрева воздуха и газообразного топлива. В таких случаях устанавливают котлы-утилизаторы для получения пара или нагрева воды, используемых для технологических щелей, для отопления и вентиляции производствен­ных цехов и т. д. За счет работы котлов-утилизаторов общая тепловая экономичность установки может быть значительно повышена. На рис. 1-1 котел-утилизатор располо­жен за рекуператором, но в некоторых случаях выгоднее, наоборот, рекуператор уста­навливать за котлом.
Тяговое устройство служит для отвода в атмосферу дымовых газов, а также газо­образных продуктов, выделяющихся при обработке материала в печи. Функции тяговых устройств промышленных печей и котельных агрегатов имеют существенное различие. В подавляющем большинстве случаев дымовые газы в рабочем пространстве печи на­ходятся под некоторым небольшим избыточным давлением и их движение в рабочем пространстве печи осуществляется отнюдь не за счет действия тягового устройства (как в котельных установках). Движение дымовых газов за счет разрежения, создавае­мого тяговой установкой, как правило, осуществляется только после того, как газы покинут рабочее пространство печи. Тяга может быть естественной (дымовая труба) или осуществляется при помощи дымососов прямого или косвенного действия.
Дутьевое устройство состоит из дутьевых вентиляторов, подающих необходимый для горения воздух к горелкам, форсункам, под колосники и т.д.
Механическое оборудование служит для механизации загрузки шихты (например, завалочные машины мартеновских печей), для перемещения нагреваемых деталей в ра­бочем пространстве печи (конвейеры, толкатели, выталкиватели) и т. д. Механизация печей позволяет сократить до минимума затраты труда на обслуживание печей, увели­чить их производительность и создать наиболее благоприятные условия для обслужи­вающего персонала. В настоящее время печи, как правило, строят механизированные.
Процессы, протекающие в печах, очень сложны и поэтому для правильного их осуществления печи снабжаются приборами теплового контроля. Кроме того, печи часто оборудуются приборами для автоматического регулирования отдельных операций (на­пример, для регулирования горения топлива) или всего процесса в целом.
Описанная выше тепловая схема промышленной печи является общей, но не един­ственной. В некоторых случаях тепло уходящих газов используется для предваритель­ного подогрева материала, нагреваемого в печи, вследствие чего из-за низкой темпера­туры уходящих дымовых газов отпадает необходимость в использовании их тепла. Иногда отсутствует надобность в рекуператорах, так как подогрев воздуха осуще­ствляется внутри печи за счет использования тепла остывающих изделий, и т. д.
Классификация промышленных печей. В промышлен­ности работает множество печей, имеющих самое различное назначе­ние: выплавка чугуна из руд и обжиг цементного клинкера, выплавка стали из шихты и выпечка хлеба и т. д. Классифицировать печи в силу их большого разнообразия трудно, и хотя был ряд предложений, но еще нет общепринятой системы классификации. Несмотря на различие печей в них есть общие черты, которые и могут быть положены в осно­ву классификации; например, они могут быть классифицированы сле­дующим образом.
По роду производства и их технологическому назначению разли­чают: металлургические печи — доменные для выплавки чугуна из руд, сталеплавильные, нагревательные прокатные, термические; печи маши­ностроительных заводов —литейные вагранки, нагревательные, кузнеч­ные, термические; цементообжигательные печи; печи для обжига кера­мических изделий и т. д.
По конструктивным и тепловым схемам и режимно-организационным признакам различают печи: по форме рабочего пространства — камерные, многокамерные, кольцевые, карусельные, туннельные, шахт­ные, вращающиеся барабанные и др.; по режимно-организационным признакам — печи непрерывного действия, периодического действия; по степени механизации — печи немеханизированные, механизированные.
По теплоэнергетическим и аэродинамическим признакам разли­чают: по способу теплообмена — печи высокотемпературные с радиаци­онным теплообменом, низкотемпературные с конвективным теплообме­ном; печи с теплообменом в неподвижном слое, в кипящем слое, во взвешенном слое; печи с теплообменом в циклонной камере (циклон­ные печи); по способу регенерации тепла — регенеративные и рекупе­ративные печи; по способу отопления — пламенные (топливные) и электрические печи; по виду топлива и способу его сжигания — мазут­ные печи, газовые и т. п.; по способу нагрева — печи с прямым нагре­вом (дымовые газы соприкасаются с изделиями) и печи с косвенным нагревом (дымовые газы отделены от изделий стенками).
В печах одновременно протекают различные процессы горения, теп­лообмена, диффузии и газодинамики, но ведущими являются теплообменные процессы, поэтому классификация печей по теплообмену—од­на из важнейших.