РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И СРЕДСТВ СИНХРОННОЙ СТРУЙНОЙ ИНТЕНСИФИКАЦИИ И ТЕМПЕРАТУРНОГО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОГО КОНТРОЛЯ В НАГРЕВАТЕЛЬНЫХ ПЕЧАХ

Разработана методика анализа тепловых эффективностей (КПД) теплотехнических агрегатов и характеристик эффективностей по управляющим воздействиям (характеристика интенсификации) с учетом нахождения агрегатов под управлением, т.е. при технологически заданных относительных температурных потенциалах. При этом было показано, что имеет место автогенерация (ускоренное изменение) теплообменного КПД вследствие связи теплоемкостей потоков с КПД. В рамках полной теплотехнической реконструкции можно считать вполне реальными возможности доведения значений тепловых КПД до 0,8—0,85, что обеспечивает значительную экономию энергоресурсов. Спецификой теплотехнических агрегатов является возможность применения регенерации (рекуперации) теплоты, и в этом случае теплотехнический агрегат представляет комплекс взаимосвязанных модулей: рабочего пространства и теплообменного аппарата.

Задачи стратегического (на стадии проектирования) управления таким комплексом должны решаться с учетом экономии топлива (теплового КПД), затрат на содержание и эксплуатацию, подавления вредных выбросов и т.д. Однако модель управления должна строиться на модели характерных основных управляющих воздействий. Основу такой модели составляет характеристика интенсификации, определяющей влияние параметров интенсификации на тепловую эффективность.

При наличии регенерации теплоты в теплообменных аппаратах в соответствии с тепло

В работе принимали участие Константинов А. А., Ячменев А.Н., Шарнин Ю.К., Сашшн А.В., Устюжанинор А.И., Поручиков П.И., Еголаев В.В. вым балансом величина теплового КПД щ может быть выражена через теплообменный КПД рабочего пространства печи 7}п, степень регенерации теплоты т)р, коэффициент потерь теплоты рабочим пространством печи 1}'пот и коэффициент потерь химического и механического недожога

Степень регенерации т)р, реализуемая в теплообменном аппарате, по существу представляет собой тепловой КПД данного аппарата. Таким образом, формула (1) наглядно раскрывает характерный для теплотехнических агрегатов дуализм представления теплового КПД в виде функции двух основных эффективностей т?т = /(т?п, т?р). Для увеличения т)т нужно заботиться как о росте величины т)„, так и т)р. В одновременном синхронном увеличении этих величин раскрывается одна из важных сторон теплотехнических основ оптимизации и интенсификации тепловой работы агрегатов и печей.

Опыт промышленной эксплуатации печей подтверждает высокую эффективность синхронной интенсификации. В условиях секционных печей скоростного нагрева применение струйной интенсификации как в рабочем пространстве печи (струйнофакельные горелки), так и в рекуператорах (струйные рекуператоры) позволяет снизить расходы топлива на 25% и создает условия для увеличения производительности печи.

В основе многих энерго и материалосберегающих технологий современной металлургии лежит применение остроатакующих струй теплоносителя, направленных на металл под пря мыми углами и омывающих его, с высокими скоростями и температурами.

Это направление достаточно отчетливо классифицируется в виде двух способов нагрева металла: струйного и струйно факельного, отличающихся способом сжигания топлива. При струйном нагреве процесс горения начинается и практически завершается в горелочных тоннелях, и в печное пространство поступают высокотемпературные струи продуктов сгорания; при струйнофакельном процесс горения высокоскоростных струй растянут в пространстве между соплом и металлом. Струйный нагрев достаточно хорошо изучен экспериментально и применяется прежде всего на небольших кузнечных и камерных печах с относительно невысокой температурой.

В крупнотоннажных высокотемпературных нагревательных печах с температурой футеровки 15001600 К и дыма 16001800 К применение струйных горелок может вызвать большие затруднения главным образом вследствие их ограниченной стойкости, а также сложности конструкции. Использованием струйнофакельного нагрева в этом случае будет более целесообразным, поскольку упрощается конструкция горелочных устройств и практически снимаются вопросы их стойкости. Поэтому чрезвычайно важно изучение таких систем струйнофакельного нагрева в применении к высокотемпературным нагревательным печам, которые обеспечивают необходимые в технологии нагрева эффекты: высокий уровень тепловых потоков на металл (соответствующий их уровню в современных высокотеплонапряженных печах), повышение КПД печей и необходимую равномерность нагрева металла, снижение температуры футеровки, улучшение экономических показателей.

Снижение температуры футеровки может оказаться не менее выгодным, чем увеличение КПД печи, поскольку позволяет либо существенно увеличить срок ее службы, либо перейти на применение легковесных волокнистых огнеупоров.

Были сконструированы экспериментальные стенды прототипы промышленных проходных роликовых печей для скоростного струйнофакельного нагрева листа и труб. В качестве базового параметра при разработке экспериментальных печей принят уровень тепловых потоков на металл 150400 кВт/м2, имеющий место в существующих промышленных печах подобного типа. На основе этой характеристики с помощью опытных данных и расчетных методов были выбраны следующие важные параметры: удельные расходы топлива природного газа на 1 м2 поверхности металла (30200 м3/ч) и скорости подачи газовоздушной смеси (130400 м/с).

Диапазон относительных расстояний от сопла до металла был определен равным 17—75 калибрам. При меньшем расстоянии факел не успевает достичь высокой температуры до удара о металл, при большем — сильно уменьшается конвективный поток к металлу. Абсолютное минимальное расстояние от сопла до металла было ограничено 100 мм из технологических соображений, связанных с особенностями движения и заправки металла в реальных печах; отсюда (по условиям выгорания факела) определен и минимальный диаметр сопла, равный 4 мм.

С увеличением диаметра сопла теплоотдача конвекцией уменьшается пропорционально y/d> поэтому максимальный размер сопла был ограничен 16 мм. Кроме того, большие размеры сопел, хотя и выгодны в конструкционном плане, приводят к очень редкому их расположению (3 и менее штук на 1 м2 поверхности металла), при котором не всегда удается обеспечить достаточную равномерность нагрева.

Экспериментальным и расчетным путями определяли локальные и средние тепловые потоки на металл (конвекцией и излучением), аэродинамические, температурные и концентрационные поля. В отличие от большинства известных работ по гомогенному факелу исследования проводили в закрытом пространстве при высоких (сотни метров в секунду) скоростях факела и температурах печной среды, окружающей факел (находящийся либо в системе скоростных факелов, либо одиночный) с определенной прецизионностью измерений (связанной с малым диаметром сопла), а также с детальным математическим моделированием почти всех элементов и стадий процесса.

В общей сложности было исследовано шесть типов экспериментальных печей струйного и струйнофакельного нагревов с различными конфигурациями печного пространства и металла и разнообразными системами сопел. Наиболее тщательно и детально опыты были проведены на трех экспериментальных печах — прототипах промышленных печей для нагрева листа и труб (рис.1).

Затухание динамического напора (рис.2) в изотермической струе происходит существенно быстрее, чем в факеле: на расстоянии 10 калибров от среза сопла изотермическая струя сохраняет лишь 0,4—0,45 своего напора, тогда как факел — 0,7—0,8, т.е. гомогенный факел, развивающийся в условиях высоких температур, является существенно более дальнобойным, чем изотермическая струя, его напор на 10 калибрах составляет лишь 0,15—0,3 от своего начального значения.

Расчетная математическая модель позволяет дать точную количественную оценку этого эффекта различной дальнобойности факела при разных условиях его формирования и развития. Независимо от типа печей, уровня скоростей и температур было получено совпадение опытных и расчетных данных в пределах 10—15% (по дицдмичерким напорам) на расстоянии от сопла вплоть до 60—70 калибров.

Начиная с расстояния до преграды, равного 1,0—1,5 ширины набегающего факела, начинается его резкое торможение: скорость на оси факела падает по линейному закону до нуля в критической точке (или точке удара).

Факел растекается по преграде тонким слоем. По мере удаления от критической точки максимальная пристенная скорость сначала возрастает, а затем падает.

В отличие от течений в трубах и каналах высокий уровень турбулентной вязкости и теплопроводности (а следовательно, и теплоотдачи к металлу) в таком пограничном слое достигается не столько за счет уровня скоростей, сколько за счет мощных турбулентных пульсаций, генерируемых в ядре набегающего факела и интенсивно транспортирующих их к металлу.

Ценность проведенных расчетов состоит в том, что они позволяют построить наглядную физическую картину движения макрообъемов факела во всех точках окружающего его пространства, а также точно рассчитать некоторые важные теплотехнические параметры, которые весьма сложно оценить экспериментальным путем. К ним относится, например, высокая кратность циркуляции в струйной системе печи с камерой прямоугольного сечения, равная 7,6. Именно благодаря этому в каждой точке печного пространства обеспечивается перемешивание печной атмосферы и полное сжигание горючего.

К основным научнопрактическим результатам исследований струйнофакельного нагрева можно отнести следующие. Предложена модель горения гомогенного факела, основанная на представлении о фронтальном характере распространения турбулентного пламени эдоль границ контакта крупномасшабных полей реагирующих компонент, построенная с учетом пульсаций концентраций и температур и имеющая большие универсальность и диапазон применения, чем аналогичные инженерные модели подобного типа.

Численно и экспериментально исследованы аэродинамические и тепломассообменные закономерности развития импактных гомогенных факелов природного газа в печах интенсивного струйнофакельного нагрева с диаметром сопел 4—16 мм, открытой поверхностью 0,10,4 %, удельной нагрузкой по газу 33—200 м3/ч на 1 м2 поверхности металла, начальными скоростями 50—400 м/с, уровнем температур печных газов 1400—1800 К.

Выявлены и обобщены основные особенности в структуре полей скорости, динамических напоров, температур и концентраций; определены уровни локальных и средних тепловых потоков конвекцией и излучением. Показана хорошая инженерная точность расчетного метода (10—15 %) по сравнению с экспериментальными данными; создана строгая физико математическая основа для корректного выбора режимных и конструктивных параметров эффективных промышленных систем струйнофакельного нагрева.

Промышленные и стендовые испытания и расчетный анализ режимов работы печей показали их экономическую эффективность: КПД печей струйнофакельного нагрева на 15—50% выше, чем с горелками туннельного сжигания. Печи имеют более низкую (на 100200 К) температуру футеровки, что позволяет существенно удлинить срок их службы и сократить затраты на ремонт в 1,5—2 раза.

СБОРНИК НАУЧНЫХ ТРУДОВ Черная металлургия России и стран СНГ в XXI веке. Т о м 2, Москва 1994