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

1-2. ОСНОВНЫЕ УСЛОВИЯ РАЗВИТИЯ ОГНЕТЕХНИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА В ПРОМЫШЛЕННЫХ ПЕЧАХ.


Процессы тепловой обработки материалов так же разнообразны, как разнообразны сами материалы, подвергающиеся обработке. Тепловая обработка протекает на определенном температурном уровне, обеспе­чивающем развитие технологического процесса. Например, жидкая сталь выпускается из печей с температурой 1550—1650°С, стальные слитки нагреваются перед прокаткой до 1 250 °С, чугун выпускается из вагран­ки при 1300—1400°С и т. д. Разумеется, чтобы довести металл до указанных температур и при том обеспечить необходимую производи­тельность агрегата, следует в рабочем пространстве развивать гораздо более высокие температуры; так, факел в мартеновской печи имеет температуру около 2 000 °С, раскаленный кокс в горне доменной печи примерно 1 800 °С и т. д. Достижение необходимых температур явля­ется первым и основным условием развития технологического процесса. Получить высокие температуры, необходимые для плавки металлов или нагрева их, для обжига огнеупорных материалов и т. п., не так легко, для этого требуется определенная техника сжигания топлива в том или ином агрегате. Для создания высоких температур в горне доменной печи сжигают кокс определенного качества (кондиционный кокс), а воздух, необходимый для горения, нагревают в регенеративных воз­духоподогревателях-кауперах до температуры около 1000—1200°С. Часто воздух обогащают кислородом — содержание кислорода увели­чивают с 21% по объему (в естественном воздухе) до 30—35% и бо­лее; содержание балластного азота соответственно снижается. В мар­теновских печах для достижения высокой температуры воздух, а часто и газообразное топливо, идущие на горение, нагревают в регенератив­ном устройстве до 1 000—1 200 °С за счет тепла отходящих из рабочей камеры газов; тем самым реализуется принцип регенерации тепла. Факел в печи должен обладать высокой лучеиспускательной (радиаци­онной) способностью, так как в противном случае трудно или невоз­можно осуществить плавку. Лучеиспускательная способность каждого участка факела (плотность собственного излучения) Е_ф определяется его степенью черноты _ф и абсолютной температурой в четвертой сте­пени:
(1-1)
где С_о — коэффициент лучеиспускания абсолютно черного тела.
Чем больше концентрация излучающих газов и сажистого углеро­да в факеле, тем больше степень черноты (при одних и тех же толщи­не излучающего слоя и температуре газов) и тем интенсивнее излучает факел. При сжиганий топлив, не дающих светящегося факела (напри­мер, природного газа или генераторного газа), для придания факелу светимости его карбюрируют путем дополнительного сжигания жидких топлив, богатых высокомолекулярными углеводородами (смолы, мазу­та). Разлагаясь, они выделяют дисперсный углерод, который придает факелу светимость. При сжигании природного газа иногда устраивают самокарбюрацию, о чем сказано ниже. В нагревательных, обжиговых и прочих высокотемпературных печах чаще всего не требуется светя­щегося факела и его степень черноты определяется концентрацией трех­атомных газов СО₂, SО₂, Н₂О. Топливо стараются быстро и полностью сжечь с минимальным избытком воздуха. Такой способ обогрева печей является наиболее экономичным.
Встречаются случаи, когда в рабочем пространстве требуется вы­сокая степень равномерности распределения температур во избежание большого брака обжигаемых (нагреваемых) изделий. Так, например, при обжиге в камерных печах керамических изделий (фарфор, фаянс, карборунд, динас, шамот и пр.) температурная неравномерность в больших печах не должна превышать 20—40 °С. В таких случаях не­допустимо, чтобы в одной части рабочей камеры печи располагалось сильно излучающее пламя, а в другой части двигался поток прозрач­ных газов с законченными реакциями горения, быстро остывающих при движении между изделиями, так как при этом изделия в отношении нагрева будут находиться в резко различных условиях. Во избежание этого горение ведут таким образом, чтобы пламя было растянутым, что удается добиться регулированием процесса смешения горючих газов с вторичным воздухом (замедлением смешения).
Придание факелу (пламени) определенных радиационных свойств является вторым условием развития высокотемпературного технологи­ческого процесса в пламенных печах. В печах требуется поддерживать газовую атмосферу с определенными свойствами — окислительную, нейтральную или восстановительную. Окислительная атмосфера, напри­мер, имеет место в сталеплавильных агрегатах, где из расплавленного металла выжигаются углерод и другие элементы. Наоборот, если при, нагреве металла в кузнечных, прокатных и термических печах имеет место окисление, то оно не только приводит к потере металла в окали­ну, но и вызывает необходимость затрачивать труд на удаление окали­ны с поверхности, а также сопровождается увеличением расхода топли­ва из-за ухудшения теплопередачи. Окисление металла вызывают со­держащиеся в продуктах сгорания кислород О₂, двуокись углерода СО₂, сернистый газ 5О₂ и водяные пары Н₂О. Наряду с окислением в про­цессе нагрева имеет место и обезуглероживание поверхностного слоя стали, вызываемое взаимодействием водяных паров, двуокиси углерода I и кислорода с металлом.
Обезуглероживание, так же как и угар металла, наносит ущерб производству. В современных печах для термообработки рабочее про­странство печи заполняется специальными защитными газами, исклю­чающими возможность окисления и обезуглероживания поверхности I изделий, при этом передача тепла от дымовых газов к изделиям осу­ществляется радиационным путем через стенки муфелей или радиаци­онных труб, изолирующих печную атмосферу от греющих дымовых га­зов (рис. 1-2). На угар металла, помимо концентрации газов, влияет длительность нагрева. При скоростном нагреве потери металла в ока­лину резко сокращаются, и поэтому стараются нагрев вести с наиболь­шей скоростью, допустимой для данного металла. В последнее время внедряются печи для безокислительного нагрева стали перед ковкой и штамповкой, принцип действия которых показан на рис. 1-2. Природ­ный газ сжигается в рабочей камере печи с коэффициентом расхода воздуха 0,5. Метан, являющийся главнейшей составляющей природ­ного газа, сжигается по суммарной реакции
(1-2)
Получаются продукты неполного горения приблизительно следую­щего объемного состава: СО₂=2,5%; СО = 12,1%; Н₂О = 12,1%; Н₂= = 17,4% и N₂=55,8; теплота сгорания газа =3,44 Мдж/м³. Из тео­рии равновесия реакций окисления железа следует, что окисление стали не должно происходить при отношении СО/СО₂3 и Н₂/Н₂О1,35. Это имеет место для газа указан­ного состава — следовательно, безокислительный нагрев будет обеспе­чен. Для получения в печи необхо­димой температуры следует подо­гревать первичный воздух в рекупе­раторе до 800 °С. Газы из рабочего пространства направляются в каме­ру дожигания, где и сгорают, отда­вая затем тепло в рекуператоре на нагрев воздуха.
В доменных печах помимо до­стижения высоких температур необ­ходимо получать достаточное коли­чество окиси углерода и водорода, требуемое для восстановления же­леза из руды,—состав газовой ат­мосферы играет в данном процессе большую роль. Почти всегда состав газов факела и продуктов полного горения, помимо чисто физических свойств (излучательная способность и пр.), существенно влияет на хи­мические реакции, протекающие в агрегатах. Поэтому третьим услови­ем развития технологического процесса является получение определен­ных свойств факела и газовой атмосферы в печах.