Типы горелок в нагревательных печах

Типы горелок в нагревательных печах

В настоящее время сталелитейная промышленность сталкивается с серьезными проблемами постоянного сокращения выбросов в окружающую среду при одновременном повышении экономической эффективности процессов. Нагревательные печи из-за их высокого энергопотребления являются одной из областей, требующих внимания сталелитейной промышленности. Это важное оборудование, которое способствует повышению производительности и энергоэффективности сталелитейного завода.

Современные нагревательные печи представляют собой печи с шагающими балками, в которых балки поднимают стальную шихту (заготовки, блюмы или слябы) внутри печи и перемещают ее в следующее положение. Нагрев в этих печах осуществляется путем непосредственного сжигания топлива как сверху, так и снизу стальной шихты с использованием сводовых горелок (для нагрева свода, который затем излучает тепло на стальную шихту) и/или длиннопламенных горелок ( боковые стенки и/или передняя стенка). Обычными видами топлива, используемыми в нагревательных печах, являются смешанный газ с низкой теплотворной способностью (доменный газ, смешанный с коксовым газом и конвертерным газом), коксовый газ, мазут, тяжелое нефтяное сырье с низким содержанием серы (LSHS) или природный газ.

Важными параметрами нагревательной печи являются система сжигания, состоящая из используемого топлива, подачи и технологического состояния воздуха для горения, горелок и их расположения для правильного распределения тепла, подогрева воздуха для горения и топливного газа, системы утилизации отработанного тепла, соотношение воздух-топливо, контроль тяги печи, вытяжная система печи, система измерения и контроля параметров печи. Система сжигания в печи, помимо поддержания требуемого уровня производительности печи, обеспечивает эффективное использование подводимого тепла, более низкие потери тепла, эффективную утилизацию отработанного тепла, минимальное повреждение огнеупоров печи и меньшее образование парниковых газов, особенно NOx. Система сжигания в печи также обеспечивает атмосферу в печи, которая сводит к минимуму образование накипи на поверхности стали.

Системы рекуперации тепла широко используются на сталелитейных заводах для снижения потерь тепла отходящих газов нагревательных печей. Поскольку потери тепла с выхлопными газами составляют высокий процент тепловых потерь, эффективность печи повышается, а расход топлива снижается за счет использования системы рекуперации тепла. Обычно используются два типа систем рекуперации тепла, а именно централизованная система и распределенная система. Централизованная система рекуперации тепла предварительно нагревает воздух для горения с помощью металлического рекуператора за счет тепла выхлопных газов и в настоящее время широко используется. Однако максимальная температура предварительно нагретого воздуха, достигаемая этим методом, составляет около 600°С, а температура печи около 1300°С из-за ограничений по температуре материала. Распределенная система рекуперации тепла состоит из системы регенеративных горелок импульсного типа с использованием керамических (обычно глиноземных) шаров в качестве регенеративной среды. Она обеспечивает более высокую температуру предварительно подогретого воздуха, чем централизованная система.

Горелки, используемые в нагревательных печах, составляют один из важных аспектов, определяющих энергоэффективность нагревательной печи. Различные характеристики стали требуют различных профилей температуры в нагревательной печи. Следовательно, для правильного распределения тепла внутри топки важно, чтобы горелки обладали гибкостью, чтобы обслуживающий персонал мог адаптировать параметры горения к различным условиям процесса. Горелки должны иметь надлежащий диапазон регулирования, низкий уровень выбросов NOx и высокую эффективность.

Расположение горелок в нагревательной печи также очень важно для нагревательных характеристик печи. В зависимости от расположения горелок в топке устройства подразделяются на три метода нагрева, а именно:(i) использование осевых горелок в передней стенке, (ii) использование боковых горелок в боковых стенках и (ii) использование плоских пламя лучистых горелок в крыше. Каждый способ нагрева имеет свои особенности. Конкретный метод нагрева или комбинация методов нагрева применяются для нагревательной печи в соответствии с местными условиями на сталелитейном заводе. На сталелитейных заводах, где доступно несколько видов топлива, горелки должны иметь возможность использовать несколько видов топлива.

Нагревательная печь должна быть спроектирована таким образом, чтобы за заданное время стальная шихта равномерно нагревалась до заданной температуры при минимальном количестве топлива. Так как отопление осуществляется с помощью горелок, необходимо обеспечить следующее для правильного распределения тепла.

• Растопка нагревательной печи должна осуществляться горелками, расположенными на разгрузочном конце печи и расположенными вверху и/или внизу стальной шихты.
• Пламя не должно соприкасаться с какими-либо твердыми предметами или мешать ему. Любое препятствие вызывает деатомизацию частиц топлива, что влияет на сгорание и вызывает черный дым. Если пламя падает на стальную шихту, потери на окалине увеличиваются. Если пламя попадает на огнеупоры, продукты неполного сгорания могут осесть и вступить в реакцию с составляющими огнеупора при высоких температурах, вызывая повреждение огнеупоров печи.
• Пламя разных горелок должно быть отделено друг от друга, так как пересекающиеся языки пламени вызывают неполное сгорание. Также желательно расположить горелки в шахматном порядке на противоположных сторонах.
• Пламя горелки имеет тенденцию свободно перемещаться в пространстве сгорания прямо над материалом. По этой причине ось горелки в топке должна располагаться не параллельно поду, а под углом вверх. Однако пламя не должно касаться свода топки.
• Большие горелки производят более длинное пламя, которое обычно трудно удержать в стенах топки. Следовательно, обычно используется большое количество горелок меньшей мощности, чтобы обеспечить лучшее распределение тепла внутри печи, а также увеличить срок службы печи.

Горелки, используемые в нагревательных печах, бывают длиннопламенными или плоскопламенными.

Горелка с плоским пламенем

Горелки с плоским пламенем (FFB) обычно используются на своде нагревательной печи. За счет этих горелок происходит косвенно направленный лучистый теплообмен. Тепло от сгорания топлива передается стальной шихте не только непосредственно от факела, но и через огнеупорную футеровку свода печи. Пламя, обычно несветящееся, характеризуется высокой температурой и относительно низким коэффициентом излучения, что соответствует избирательному излучению углекислого газа и паров воды. Из-за отсутствия воздействия пламени на стальную шихту печи с подогревом FFB известны как печи косвенного нагрева.

Горелки предназначены для распространения пламени по поверхности крыши тонким слоем. Поскольку расход дымовых газов в направлении оси горелки незначителен, температура огнеупорного свода повышается за счет интенсивной теплопередачи от пламени к своду. Таким образом, огнеупорная крыша действует как главная излучающая поверхность.

Применение плоскопламенных горелок считается целесообразным и выгодным, когда стальная шихта в нагревательной печи имеет большую плоскую поверхность, возможно, параллельную своду печи, и когда температура нагрева стальной шихты выше 900°С. Ниже приведены основные преимущества и недостатки топочных печей FFB

Распределение температуры в камере печи КС и стальной шихте более равномерное. Удовлетворительный контроль температуры отдельных зон позволяет достичь необходимой мощности печи.

• Более высокие скорости нагрева из-за FFB сокращают время воздействия высокой температуры на стальную шихту. Следовательно, возникновение окисления поверхности или таких явлений, как обезуглероживание и крупнозернистая структура стали, значительно снижается.
• Значительное снижение расхода топлива почти на 40 % может быть достигнуто за счет снижения мощности печи на 100–50 %.
• Интенсивное смешение газообразного топлива и воздуха для горения обеспечивает быстрое и полное сгорание смеси при низком значении избытка воздуха.
• Основным недостатком сводового обогрева является риск перегрева поверхности стальной шихты вследствие резкого изменения мощности печи.
• Чрезмерная скорость нагрева в начале камеры печи может вызвать нежелательные термические напряжения и структурные деформации в материале стальной шихты.

Горелки с длинным пламенем

На рынке представлено большое разнообразие длиннопламенных горелок с различными характеристиками и различной мощностью. Эти горелки доступны с различной мощностью и подходят для использования различных видов топлива, таких как мазут, газ или несколько видов топлива.

В нагревательной печи с длиннопламенными горелками, поскольку большая часть нагрева стальной шихты происходит за счет конвекции, рециркуляция продуктов сгорания вносит существенный вклад в скорость нагрева и равномерность температуры. Горелки с длинным пламенем производят высокоскоростные газы, которые уносят и рециркулируют дымовые газы для достижения однородности температуры в топке с минимальным избытком воздуха.

Горелки на передней стенке нагревательной печи обычно имеют более длинное пламя, а горелки на боковой стенке печи - более короткое переменное пламя. Горелки на передней стенке нагревательной печи, как правило, осевого типа и требуют широкого диапазона регулировки. Они представляют собой горелки большой мощности и имеют ограничение длины зоны в направлении длины топки. Поток горючих газов внутри топки плавный по длине топки. Носовые части горелок усложняют конструкцию топки. У этих горелок наблюдается равномерный нагрев по ширине топки, но температура имеет тенденцию падать в носовых частях по длине топки. Удобообрабатываемость относительно хорошая, за исключением мест вокруг горелок в нижней части, где температура относительно высока.

Горелки на боковой стенке нуждаются в узком диапазоне регулировок. Эти горелки также имеют большую мощность и имеют ограничение по ширине топки. Поток горючих газов имеет тенденцию дрейфовать, так как направление горелок находится под прямым углом к ​​направлению длины топки. Поскольку в этих горелках отсутствует носовая часть, они не усложняют конструкцию топки. Горелки имеют хорошую однородность по длине печи, но плохую однородность по ширине печи. Удобство работы с этими горелками относительно хорошее.

Регенеративные  и рекуперативные горелки

Регенеративная горелка оснащена системой рекуперации тепла, которая утилизирует отработанное тепло выхлопных газов печи для нагрева воздуха для горения, необходимого для сжигания топлива в горелке. Использование регенеративных горелок для нагревательных печей может обеспечить значительную экономию энергии.

Регенеративные горелки предназначены для рекуперации тепла во впускной воздух путем передачи тепла от выхлопных газов впускному воздуху, который должен использоваться для сжигания. Регенеративная горелка состоит из двух комплектов горелок, каждая с регенератором и реверсивным клапаном. В регенераторе для сбора тепла используются керамические (обычно глиноземные) шарики. Пока работает первая регенеративная горелка, вторая отводит топочные газы. Выхлопной газ проходит через корпус регенеративной горелки и передает тепло керамическим шарикам. Следовательно, тепло от выхлопных газов передается впускному воздуху, так как он проходит через нагретые керамические шарики. Реверсивный клапан задает направление потока воздуха, поступающего в головку горелки, что делает температуру впускного воздуха близкой к Рабочая Температура. Благодаря высокой температуре предварительного подогрева воздуха для горения регенеративная горелка может экономить топливо и осуществлять сжигание с высокой эффективностью.

В случае рекуперативной горелки конструкция горелки аналогична трубе радиационного теплообменника, которая нагревает входящий воздух до более высокой температуры (около 750°С) за счет рекуперации тепла от выхлопных газов впускному воздуху. Следовательно, обмен тепла в горелке может повысить эффективность сгорания и сэкономить стоимость топлива примерно на 25–30 %.

Принцип работы регенеративной горелки показан на рис. 1. Первая горелка находится в режиме розжига, а вторая горелка находится в режиме отвода газов. Первая горелка зажигается теплым воздухом для горения, обдувающим ее горелку. Вторая горелка принимает горячий выхлопной газ из топки на свои керамические шары, чтобы сохранить тепло в горелке. Только после передачи тепла выхлопные газы выделяются. Через период от полминуты до одной минуты вторая горелка переключается в режим пожаротушения, а первая горелка начинает получать горячий отработанный газ. Режим розжига и приема горелки работает попеременно и непрерывно до остановки нагревательной печи. Высокая температура предварительно нагретого воздуха делает процесс горения очень эффективным.

Принцип рекуперативной горелки также показан на рис. 1. Температура входящего воздуха предварительно нагревается перед сжиганием в топке с помощью метода теплообмена. Отходящий газ проходит через горелку, снабженную теплообменником, установленным внутри горелки. Тепло от выхлопных газов передается входящему воздуху до того, как он выйдет из горелки. Выхлопные газы проходят через пространство вокруг горелки снаружи, и теплообмен происходит внутри горелки.

Рис. 1. Принципы работы регенеративных и рекуперативных горелок

Кислородные горелки

  Кислородное топливо относится к практике полной замены воздуха в качестве источника окислителя для горения кислородом промышленного качества. Кислородное сжигание топлива уменьшает или устраняет азот в воздухе для горения и существенно снижает потери тепла, уносимого дымовыми газами. Горелки на кислородном топливе могут использоваться в высокотемпературных печах повторного нагрева, где критична однородность температуры и желательны чрезвычайно низкие выбросы NOx.

  Общее преимущество замены воздуха кислородом промышленного качества заключается в том, что азот, присутствующий в воздухе, подаваемом в процесс горения, почти или полностью устраняется. Уменьшение азота при сгорании позволяет повысить температуру пламени и эффективность сгорания, поскольку меньший объем дымовых газов снижает количество тепла, отбираемого от пламени и теряемого с отработавшими газами.

Преимущества использования кислородного топлива по сравнению со сжиганием воздушного топлива заключаются в следующем:(i) снижение потребления энергии, (ii) увеличение скорости нагрева, что приводит к увеличению производительности без повышения заданной температуры печи, и (iii) снижение выбросов печи

Пламя кислородного топлива имеет более высокую температуру при меньшем объеме и длине, чем пламя воздушного топлива. Характеристики пламени кислородного топлива необходимо учитывать при проектировании кислородно-топливных горелок для нагрева стали. Как правило, нагрев стали требует равномерного распределения температуры, чтобы избежать локального перегрева или недогрева в изделии. Тип и размещение кислородных горелок зависит от типа печи и близости пламени к стальному изделию.

Пламя кислородного топлива имеет более высокую температуру при меньшем объеме и длине, чем пламя воздушного топлива. Характеристики пламени кислородного топлива необходимо учитывать при проектировании кислородно-топливных горелок для нагрева стали. Как правило, нагрев стали требует равномерного распределения температуры, чтобы избежать локального перегрева или недогрева в изделии. Тип и размещение кислородных горелок зависит от типа печи и близости пламени к стальному изделию.