С НАМИ - К ВЫСОКИМ ТЕМПЕРАТУРАМ!
язык
RUS ENG

Доменные воздухонагреватели

Доменные воздухонагреватели (ВН) являются регенеративными теплообменниками. Каждый из них представляет собой цилиндрическую конструкцию, заполненную многорядной решеткой (насадкой), выложенной из огнеупорных блоков. Насадка является основным конструктивным элементом воздухонагревателя, определяющим процессы передачи тепла от продуктов сгорания к воздуху.

Полный рабочий период регенеративных воздухонагревателей состоит из двух рабочих циклов:

  • цикл нагрева насадки (газовый период), когда продукты горения отопительного газа (доменного или смешанного) подаются сверху и, проходя через насадку, нагревают её;
  • цикл нагрева дутья (дутьевой период), когда нагреваемый воздух (холодное дутьё) подается снизу в разогретую насадку и, проходя через неё снизу вверх, нагревается. Насадка при этом охлаждается.

В связи с этим количество воздухонагревателей не может быть меньше двух. В доменном производстве используются блоки в составе трёх или четырёх (крайне редко – пяти) аппаратов.

Воздухонагреватели во многом определяют экономику доменного производства. Повышение температуры доменного дутья приводит к сокращению расхода кокса и к росту производительности печей, что существенно снижает эксплуатационные расходы. На общую экономическую эффективность нагрева дутья влияют также капитальные затраты на сооружение воздухонагревателей и их ремонты. Уровень достигаемых температур нагрева дутья, капитальные затраты на сооружение и межремонтный срок службы воздухонагревателей в первую очередь определяются их конструкцией.

Традиционные конструкции воздухонагревателей

До недавнего времени применялись воздухонагреватели только двух типов: с внутренней камерой горения (когда камера находится внутри самого аппарата вместе с насадкой) и с наружной камерой горения (камера отделена от насадки и помещается в отдельном кожухе). Эти аппараты имеют ряд недостатков, в основном связанных с наличием камеры горения.

1. Воздухонагреватели с внутренней камерой горения

Основным типом существующих ВН в мировой практике являются воздухонагреватели с внутренней камерой горения (см. рис. 1), где в одном кожухе размещаются параллельно и камера насадки, и камера горения. Эта конструкция предложена английским инженером и изобретателем Э.А. Каупером более 150 лет назад, и её длительная эксплуатация выявила ряд существенных недостатков:

  • «короткое замыкание», или прямые перетоки газов между камерой горения и камерой насадки по трещинам и швам между кирпичами в разделительной стенке, что приводит: в газовый период – к значительному увеличению концентрации CO в дымовых газах, достигающему 5000 мг/м³ при европейских нормах 100 мг/м³, существенному увеличению выбросов CO в атмосферу и ухудшению экологической обстановки; в дутьевой период – к подмешиванию холодного дутья к горячему дутью и уменьшению температуры последнего (иногда на 100ºС);
  • наклон камеры горения в сторону насадки (эффект «банана»), что приводит к взаимным повреждениям камеры горения и насадки, к смещению насадки, перекрытию её каналов и значительному росту гидравлического сопротивления воздухонагревателя;
  • высокотемпературная ползучесть (крип) огнеупоров под действием высоких температур и давлений в нижней части камеры горения, что вызывает деформацию и обрушение кладки, особенно штуцеров горячего дутья;
  • неравномерное распределение продуктов сгорания по насадке, которое достигает ±15% и приводит к снижению КПД работы насадки, перепадам температур в массиве насадки и появлению трещин в её блоках и в поднасадочном устройстве;
  • пульсирующее горение, возникающее вследствие акустического возбуждения высокой камеры горения по типу органной трубы и приводящее к сильной вибрации конструкций, разрушению кладки, нарушению нормального режима эксплуатации ВН;
  • растрескивание огнеупоров в нижней части камеры горения (в районе установки горелочного устройства) по условиям термической стойкости при резких колебаниях температур во время смены газового и дутьевого периодов.

Указанные недостатки приводят к частому выходу из строя камеры горения и характеризуют её как самый слабый элемент воздухонагревателя. Это ограничивает температуру горячего дутья при длительной эксплуатации на уровне 1200ºС и требует частого проведения ремонтов ВН. 

Рис. 1 – Воздухонагреватель с внутренней камерой горения

2. Воздухонагреватели с наружной камерой горения

Наиболее существенной модернизацией воздухонагревателей с внутренней камерой горения стали аппараты с наружной камерой горения, где последняя заключена в самостоятельный кожух (см. рис. 2). Однако при этом устраняются лишь два недостатка: «короткое замыкание» и эффект «банана».

Эти воздухонагреватели имеют значительно более сложный купол и сложную систему компенсации температурных расширений кожухов камеры насадки и камеры горения.

Поэтому их стоимость на 30-35% выше, а для размещения их требуется значительно больше места, что вызывает затруднения при реконструкции в действующих цехах. Кроме того, кожухи аппаратов данного типа имеют высокую склонность к интеркристаллитной коррозии. Тем не менее, эти аппараты имеют более надёжную конструкцию и устанавливаются на крупных доменных печах. Максимальная температура горячего дутья при длительной эксплуатации – 1250ºС.

Рис. 2 – Воздухонагреватели с наружной камерой горения

Бесшахтные воздухонагреватели

Основные недостатки традиционных воздухонагревателей с внутренними и наружными камерами горения могут быть устранены, если устранить саму камеру горения (другое её название – шахта). Воздухонагреватели без камер горения получили название бесшахтных. Межремонтный срок службы бесшахтных ВН будет определяться не стойкостью камеры горения, а стойкостью купола, горелочного устройства, расположенного на нём, и насадки.

1. Воздухонагреватель с кольцевой форкамерой в основании купола

Первый в СССР бесшахтный воздухонагреватель, разработанный под руководством Я.П. Калугина, был построен в 1982 г. на доменной печи №4 объёмом 1513 м³ Нижнетагильского металлургического комбината (Россия, Свердловская обл., г. Нижний Тагил). В основании расширенного динасового купола расположена короткая кольцевая форкамера высотой около 1 м (см. рис. 3), в нижней части которой установлены 50 керамических горелок малого калибра. Горелки и другие узлы ВН были в своё время отработаны на специальных стендах. Практически полное сжигание газа достигается уже на выходе из форкамеры, а пульсирующее горение не возникает ни на каких режимах. Неравномерность распределения продуктов сгорания по насадке составляет всего ±5% (в обычных ВН – ±15%).

Рис. 3 – Бесшахтный воздухонагреватель с кольцевой форкамерой

Данный воздухонагреватель был опробован на работу с проектными температурами купола 1450ºС и дутья 1350ºС. Он надёжно работает в блоке с двумя обычными воздухонагревателями без капитального ремонта уже в течение 27 лет с температурой горячего дутья 1200ºС. Осмотры охлаждённого ВН после 9, 16 и 27 лет эксплуатации показывали хорошее состояние всех его элементов. Межремонтный срок службы бесшахтного воздухонагревателя определяется стойкостью купола, которая в несколько раз выше стойкости камеры горения и для динасового купола достигает 30 лет.

Аппарат был разработан как опытный аналог воздухонагревателей для магнито-гидродинамической электростанции (МГДЭС-500) с температурой нагрева дутья 1700ºС, при расходе дутья 10 000 м³/мин и его давлении 1,0 МПа. Ввиду наличия расширенного купола такой воздухонагреватель не может быть вписан в существующие габариты доменных ВН с внутренней камерой горения для возможности проведения их поочерёдной реконструкции (аппарат на доменной печи №4 объёмом 1513 м³ Нижнетагильского меткомбината выполнен отдельно стоящим). Поэтому такая конструкция воздухонагревателей в дальнейшем не использовалась.

2. Воздухонагреватели конструкции Калугина (ВНК)

Дальнейшим этапом развития бесшахтных аппаратов стал воздухонагреватель конструкции Калугина с форкамерой на верху купола (рис. 4). Газ сжигается в горелочном устройстве форкамерного типа со струйно-вихревой подачей газа и воздуха, расположенном сверху купола по оси воздухонагревателя. Кольцевые коллекторы газа и воздуха размещаются внутри кладки форкамеры, а сама кладка форкамеры ВНК имеет независимую опору на кожух. Впервые такая схема была реализована на ДП №1 Саткинского чугуноплавильного завода в 1992 г., и этот воздухонагреватель без проблем работает до настоящего времени.

Рис. 4 – Воздухонагреватель Калугина

При разработке конструкции ВНК проводились стендовые испытания на огневом и аэродинамическом стендах для нескольких вариантов форкамерных горелочных устройств. По этим данным была определена оптимальная конструкция форкамерной горелки как с точки зрения технических показателей, так и с точки зрения простоты и надёжности выполнения огнеупорной футеровки. В дальнейшем на основе этих испытаний был разработан метод компьютерного расчёта, проведено детальное сравнение расчётных и экспериментальных результатов и получено хорошее совпадение между ними. В настоящее время по этому компьютерному методу производятся расчёты всех форкамерных горелочных устройств воздухонагревателей Калугина.

Закрутка струй газа и воздуха в форкамере (рис. 5) обеспечивает весьма интенсивное и равномерное сжигание газа, которое заканчивается в средней части купола, до входа в насадку. Оптимальная степень закрутки потока определена экспериментально и подтверждается расчётом, при этом неравномерность распределения продуктов сгорания по насадке не превышает ±3-5%.

Рис. 5 – Закрученный поток газов
в форкамере ВНК

Для ВНК каждой доменной печи форкамерная горелка рассчитывается индивидуально, выбираются оптимальное количество сопел, их расположение, скорости газа и воздуха и степень закрутки потоков. На основе этих данных строятся картины выгорания газа, распределения температур и потоков, выполняется проект огнеупорной футеровки и кожуха.

Пример результатов расчёта форкамерной горелки показан на рис. 6. Здесь видно, что горение газа начинается в форкамере и заканчивается в верхней части купола, так что при входе в насадку имеется практически полное сгорание газа с содержанием оксида углерода до 50 ppm.

При движении газа по насадке происходит его дожигание, и на выходе из ВНК концентрация оксида углерода (СО) не превышает 20 мг/м³. Таким образом, форкамерная горелка за счёт струйной подачи газа и воздуха и закрутки потоков обеспечивает весьма интенсивное их смешение и быстрое сгорание газа.

Для ВНК разных мощностей распре­деление струй может быть различным. Исследования на действующих воздухона­гревателях показали, что при концентрации кислорода (O2) в отходящем дыме 0,3-5,1% и работе на полной тепловой мощности струйно-вихревая горелка обеспечивает концентрацию оксида углерода (СО) не превышает 0,0016%, что составляет 20 мг/м³, то есть в 5 раз меньше европейских норм (см. рис. 7). Эта горелка работает лучше, чем широко распростра­нённая щелевая керамическая горелка фирмы DME (Германия).

Рис. 7 – Зависимость концентрации оксида углерода (CO) в отходящем дыме
от концентрации кислорода

Рис. 6 – Положение зоны горения газа в ВНК.
Концентрация оксида углерода (СО) дана по компьютерному расчёту
при работе с полной тепловой мощностью

Поскольку «короткое замыкание» в ВНК полностью исключено, весь период эксплуатации воздухонагреватель будет оставаться экологически «чистым».

Полное отсутствие пульсирующего горения даёт возможность форсировать режимы работы ВНК без появления сильных колебаний давления и вибраций и избежать повреждения кладки и конструкций.

Сопротивление воздухонагревателя невелико, и для его работы на полных нагрузках достаточно обычного давления газа перед горелкой (4,0-5,0 кПа).

Закрутка струй газа и воздуха в форкамере воздухонагревателя Калугина обеспечивает равномерность их сжигания и дальнейшего распределения продуктов горения по насадке (см. рис. 8) и не требует настройки горелки перед пуском в эксплуатацию. Огнеупорная футеровка большей части ВНК довольно проста – исключение составляет форкамера.

Рис. 8 – Распределение скоростей продуктов горения на входе в насадку:
 

1 – воздухонагреватель с внутренней камерой горения (красная кнопка;
2 – воздухонагреватель с наружной камерой горения (типа Дидье-Верке) (синяя кнопка);
3 – воздухонагреватель Калугина

В воздухонагревателях Калугина отсутствуют прямой удар факела в кладку и её местный перегрев, что обеспечивает симметричное распределение температур по куполу, насадке, футеровке и кожуху, вследствие чего снижаются температурные напряжения и улучшается стойкость ВН.

Как показали измерения, общий уровень температур в кладке форкамеры невысок (в среднем около 900ºС), а перепады температур кладки между газовым и дутьевым периодами близки к перепадам температур в кладке горелок первого бесшахтного воздухонагревателя с кольцевой форкамерой на ДП №4 ОАО «НТМК», который без капремонта эксплуатируется с 1982 года и находится в хорошем состоянии. Это позволяет определить длительный срок службы кладки форкамеры, то есть срок службы воздухонагревателя будет определяться стойкостью динасового купола, которая достигает 30 лет.

Конструкция самого купола также способствует увеличению срока его службы при высоких температурах, так как широкая часть сферы над насадкой переходит в коническую часть, далее – в узкую горловину, и завершается куполом горелки, который имеет значительно меньший радиус и работает при более низких температурах. Диаметр купола ВНК, имеющего независимую опору его кладки на кожух, по сравнению с типовым воздухонагревателем увеличивается незначительно, и поэтому воздухонагреватели Калугина хорошо вписываются в существующие габариты блоков при их реконструкции в бесшахтном варианте.

На первых бесшахтных ВН отсекающие клапаны газа и воздуха устанавливались в районе купола. В настоящее время разработаны новые компоновочные и технологические решения, при которых всё основное оборудование блока ВНК (клапаны горячего дутья, отсекающие и регулирующие клапаны газа и воздуха) размещается либо на существующих площадках внизу, либо на новых площадках в районе верхней части кожуха. Как правило, всё оборудование располагается на одной стороне блока воздухонагревателей (см. рис. 10), что уменьшает площадь для его размещения. Технологическое оборудование ВНК обслуживается подъёмно-транспортным оборудованием, установленным в здании блока. В целом эксплуатация ВНК практически не отличается от эксплуатации обычных воздухонагревателей.

Рис. 10 – План и разрез блока воздухонагревателей конструкции Калугина

Благодаря точному теплотехническому расчёту и рациональному размещению огнеупорных материалов в благоприятных для них температурных зонах, достигается их высокая эксплуатационная стойкость. При этом устраняется забивание насадки пылью и шлаком (см. рис. 11), включая насадку с диаметром канала 20 мм. Это обеспечивает срок службы воздухонагревателя без капитального ремонта до 30 лет.

Степень использования тепла продуктов сгорания, то есть количество тепла, переданное нагреваемому воздуху дутья, и температура его зависят от величины теплообменной поверхности насадки, от коэффициента теплообмена, от аккумулирующей массы насадки и её теплофизических свойств.

В первых бесшахтных воздухонагревателях Калугина насадка выполнялась, как и в обычных ВН, из типовых насадочных шестигранных блоков с диаметром каналов 40 мм (см. рис. 12,а). ЗАО «КАЛУГИН» специально для вновь сооружаемых воздухонагревателей были разработаны новые виды насадки:

  • с диаметром канала 30 мм (рис. 12,б) в двух вариантах: цилиндрический канал (поверхность нагрева – 48,0 м²/м³) и конический канал (поверхность нагрева – 48,7 м²/м³);
  • с диаметром канала 20 мм (рис. 12,в) и поверхностью нагрева 64,0 м²/м³.

Рис. 11 – Состояние поверхностей динасовых насадочных блоков верхнего ряда насадки бесшахтного ВН ДП №4 НТМК через 9 (а) и 27 (б) лет эксплуатации

За счёт развитой поверхности нагрева и высокого коэффициента теплоотдачи этих насадок, а также устранения камеры горения, высота насадки значительно снижается (на 40-50%). При сохранении тепловой мощности воздухонагреватель становится малогабаритным, достигается существенная экономия огнеупорных материалов (до 50%) по сравнению с обычными воздухонагревателями, то есть вместо одного обычного ВН может быть построено два ВНК. На рис. 13 представлено сравнение габаритов старых воздухонагревателей для доменных печей V=3000 м³ ОАО «ЗСМК» (а) и V=5500 м³ ОАО «Северсталь» (б) и новых ВНК, построенных и строящихся взамен на их месте.

Рис. 12 – Насадочные блоки

Рис. 13 – Сравнение габаритов воздухонагревателей:
а) ОАО «ЗСМК», V=3000 м³; б) ОАО «Северсталь», V=5500 м³

ВНК позволяют работать с подогревом газа и воздуха горения до 600ºС. Это даёт возможность достичь температуры горячего дутья до 1400ºС при сжигании одного доменного газа с теплотой сгорания до 3000 кДж/м³ (около 720 ккал/м³ в пересчёте на сухой газ). На практике ВНК уже работают с подогревом газа до 200ºС и воздуха горения до 570ºС.
Применение утилизации дымовых газов и подогрева газа и воздуха позволяет получить технологические преимущества за счёт снижения расхода кокса и увеличения производительности доменных печей, а также существенные выгоды по экологии благодаря уменьшению тепловых выбросов (снижение температуры дыма, выбрасываемого в атмосферу) и уменьшению выбросов CO2 (замена добавок газа с высокой теплотой сгорания на физическое тепло).

За счёт улучшения условий службы для огнеупоров в ВНК при использовании широко применяемых огнеупорных материалов (динас, муллитокорунд, шамот) можно получить температуру горячего дутья до 1400ºС, что невозможно при других конструкциях ВН. Это даёт возможность перейти в доменном производстве на новый уровень нагрева дутья – до температур 1300-1400ºС.

Значительное снижение капитальных затрат и большая экономия на ремонтах благодаря увеличению межремонтного срока службы, возможность увеличения температуры нагрева дутья на 100-200ºС и возможность размещения бесшахтных воздухонагревателей на месте существующих с установкой типового основного оборудования на существующей рабочей площадке, малое гидравлическое сопротивление и работа без пульсаций с весьма низким содержанием вредных выбросов в дыме дают воздухонагревателям Калугина значительные преимущества по сравнению с существующими аппаратами и определяют их как наиболее перспективную конструкцию высокотемпературных воздухонагревателей.

Конструкция ВНК запатентована в России, Украине и Китае, патентуется в Японии, Индии и других странах.

На стадии, предшествующей детальному проектированию воздухонагревателей Калугина, специалистами нашей компании последовательно выполняются:

  1. общий теплотехнический расчёт блока воздухонагревателей;
  2. расчёт насадки;
  3. расчёт форкамеры с определением количества сопел, их размеров и расположения, скорости газа и воздуха и степени закрутки потоков;
  4. расчёт футеровки с определением количества, толщин и температур слоёв различных огнеупорных материалов;
  5. прочностной расчёт кожуха;
  6. прочностной расчёт поднасадочного устройства;
  7. компоновка блока ВНК с трубопроводами и оборудованием;
  8. гидравлический расчёт воздухонагревателя и системы трубопроводов с определением их диаметров и требуемых давлений сред;
  9. определение характеристик оборудования и составление его перечня (предварительной спецификации).