Создание воздухонагревателей и воздухонагревателей

Производство дутья горячего воздуха и воздухонагревателей           

Воздухонагреватель представляет собой устройство для непрерывной подачи горячего дутья в доменную печь. Перед подачей дутьевого воздуха к фурмам доменной печи его предварительно нагревают, пропуская через регенеративные воздухонагреватели, которые нагреваются в основном за счет сжигания колошникового газа (доменного газа). Таким образом, часть энергии колошникового газа возвращается в доменную печь в виде физического тепла. Эта дополнительная тепловая энергия, возвращаемая в доменную печь в виде тепла, существенно снижает потребность в доменном коксе и облегчает впрыск вспомогательного топлива, такого как пылевидный уголь, в качестве замены дорогого металлургического кокса. Это повышает эффективность процесса. Дополнительным преимуществом, вытекающим из более низкой потребности в топливе, является увеличение производительности чугуна. Все это оказывает значительное влияние на снижение стоимости чугуна.

История воздухонагревателей

Использование доменных печей восходит к пятому веку до нашей эры. в Китае. Однако только в 1828 году эффективность доменных печей была революционизирована за счет их предварительного нагрева с использованием горячих печей в сочетании с процессом - новшеством, созданным Джеймсом Бомонтом Нильсоном, ранее работавшим мастером на газовом заводе в Глазго. Он изобрел систему предварительного подогрева дутья для печи. Он обнаружил, что, увеличив температуру до 300 градусов по Фаренгейту (149 градусов по Цельсию), он может снизить расход топлива с 8,06 тонны до 5,16 тонны с дальнейшим снижением при более высоких температурах. В 1860 году совместное использование горячих печей с доменными печами было дополнительно преобразовано Эдвардом Альфредом Каупером за счет рециркуляции колошникового газа доменной печи вместо получения твердого топлива, как это было в более ранних конструкциях.

Ранние конструкции горячих печей, используемых с доменными печами, изначально располагались над печью, а не рядом с ней, как это делается сегодня. Они использовали отработанное тепло доменной печи, подаваемое по чугунным трубам к горячей печи, для предварительного нагрева дутья холодного воздуха. Одной из основных проблем при использовании чугунных труб было образование в них трещин. Это было исправлено за счет отказа от труб и использования вместо них огнеупоров. Это также способствовало разработке схемы воздухонагревателя с доменной печью с применением двух-четырех воздухонагревателей, расположенных последовательно рядом с доменной печью. Это позволяло нагревать одну доменную печь колошниковым газом, в то время как тепло другой печи отводилось для предварительного нагрева дутья в доменной печи. Когда воздушная струя входила в печь, она предварительно нагревалась горячими кирпичами и выходила из печи как горячая струя. Cambria Iron Works была первой компанией в США, которая использовала регенеративные печи в 1854 году. Эти печи были сконструированы из железных корпусов, облицованных огнеупором, и имели несколько огнеупорных проходов для взрыва. Типичная печь такой конструкции имела площадь нагрева около 186-232 кв.м. В 1870 году компания Whitwell Stoves спроектировала и изготовила более крупные печи с площадью поверхности нагрева около 8546 кв. м, которые могли подавать в доменную печь горячее дутье с температурой 454-566°C. Это также были первые печи, в которых использовались шестиугольные огнеупорные шашки, чугунные опоры шашек и полуэллиптические камеры сгорания для улучшения распределения газа по шашкам.

Характеристики современной воздухонагревательной печи

Теплотворная способность колошникового газа недостаточно высока для достижения высокой температуры пламени, необходимой для более высоких температур горячего дутья от 1000 до 1200 °C. Следовательно, доменный газ для печей обычно обогащают добавкой топлива с гораздо более высокой теплотворной способностью, такого как коксовый газ, для получения высокой температуры пламени. Однако многие из современных доменных печей имеют воздухонагреватели, горелки которых рассчитаны на использование только доменного газа.

Воздухонагреватели современной доменной печи имеют следующие характеристики.

• Достижение высокоэффективного сжигания — достижение высокоэффективного сжигания даже при работе только с доменным газом.
• Меньшее тепловое излучение от корпуса печи.
• Низкие затраты на строительство.
• Высокий срок службы печи. Ожидаемый срок службы современной печи составляет около 40 лет.
• Полное устранение коррозионного растрескивания под напряжением.
• Низкая концентрация несгоревшего CO над верхней поверхностью ячеистого кирпича.

Большинство доменных печей оборудовано тремя воздухонагревателями, хотя в некоторых случаях их четыре. Печи представляют собой высокие цилиндрические стальные конструкции, футерованные изоляцией и почти полностью заполненные решетчатым кирпичом, где тепло накапливается, а затем передается дутьевому воздуху. Каждая печь по диаметру примерно равна доменной печи, а высота столба шашек примерно в 1,5 раза больше рабочей высоты доменной печи. На современных доменных печах отношение размера печи к размеру печи еще больше. Например, одна типовая новая доменная печь имеет диаметр горна 9,75 м и рабочую высоту 25,9 м и оборудована тремя печами, каждая из которых имеет внутренний диаметр 10,36 м и высоту шашки 40 м. /Р>

На рис. 1 показаны типичные виды поперечного сечения обычной двухходовой воздухонагревательной печи. Как видно из рисунка, камера сгорания овальной формы занимает около 10 % от общей площади поперечного сечения печи. Он простирается от дна печи до верха свода печи примерно на 4 м. Прочная кирпичная грудная стена отделяет камеру сгорания от остальной части печи, которая заполнена шашечными кирпичами, опирающимися на стальную решетку, поддерживаемую стальными колоннами.

Рис. 1. Типичный вид в поперечном сечении обычной воздухонагревательной печи

Внутри стальной оболочки имеется изолирующая прокладка. Обычно это очень толстая сторона рядом с камерой сгорания. Камера сгорания полностью окружена стеной из кирпичного колодца, облицованного сверхпрочным огнеупорным кирпичом, содержащим от 50 % до 60 % глинозема. Для очень высоких температур горячего дутья, превышающих 1200°С, вся камера сгорания и купол футерованы данным типом кирпича. Кроме того, верхние 8–10 м шашек обычно состоят из сверхпрочного кирпича.

Впрочем, в более новых печах для печей. кремнеземные огнеупоры являются предпочтительным материалом для повышения стабильности благодаря устранению движений расширения в верхней части конструкции во время работы. Кремнеземные огнеупоры имеют дополнительное преимущество перед глиноземными огнеупорами, так как они устойчивы к накоплению пыли. По этой причине семь слоев насадок из кремнезема обычно устанавливаются в верхней части шахты насадок в печах на основе глинозема.

При возведении облицовки купола используются арочные кирпичи, а между кирпичом и куполом предусмотрено пространство для расширения кольцевой стены, на которую он опирается. В некоторых печах стальная конструкция в верхней части кольцевой стены имеет смещение, так что кирпич купола может поддерживаться независимо.

Традиционные полусферические купола, хотя и простые по форме, имеют естественную неустойчивость с тенденцией к разрушению верхней части купола в первую очередь. Поэтому некоторые доменные печи имеют купол в форме перевернутой контактной сети. Этот купол имеет статически сбалансированную форму и может быть построен с использованием минимума кирпичей специальной формы. Поскольку огнеупоры грибовидного купола также расширяются и сжимаются, шарнирная опорная конструкция допускает эти перемещения, не оказывая на конструкцию никакого усилия.

Благодаря более совершенным газоочистным сооружениям, доступным в наши дни, можно использовать шашки с меньшими отверстиями дымохода без какой-либо опасности забивания дымоходов грязью. С меньшими размерами дымоходов скорость теплопередачи лучше, потому что отношение поверхности нагрева к весу насадки велико, и в доступном пространстве устанавливается больший вес насадки. Однако с меньшими отверстиями дымохода стало очень важно правильно уложить шашки, чтобы дымоходы идеально совпадали. Неправильно расположенные дымоходы значительно увеличивают перепад давления в печах и не позволяют эффективно использовать всю теплоемкость.

Горелка доменной печи расположена у дна топочной камеры. На большинстве воздухонагревателей горелки расположены вне камеры сгорания. Между горелкой и печью имеется запорный клапан горелки, который закрыт, чтобы изолировать горелку, когда печь работает на дутье, но открыт, когда печь топится. Газ и воздух для горения частично смешиваются в металлической горелке, но из-за их высокой скорости через горелку фактическое воспламенение, вероятно, происходит только внутри печи. Газо-воздушная смесь ударяется о стенку мишени прямо напротив отверстия горелки, а затем совершает поворот на 90 градусов.

Горение продолжается, пока газ поднимается вверх по камере сгорания. Когда печь должна быть нагрета из холодного состояния, обычно используется воспламенитель, чтобы начать горение, но во время нормальной работы остаточного тепла в целевой стене достаточно, чтобы вызвать воспламенение.

В некоторых современных воздухонагревателях используются керамические горелки. Эти горелки со своей смесительной камерой устанавливаются внутри камеры сгорания, и горение происходит вверх в вертикальном направлении, а не в горизонтальном направлении, как в обычной металлической горелке. Для этого типа горелок необходима запорная арматура как в газопроводе, так и в канале воздуха для горения. Эти клапаны способны выдерживать силу давления взрыва. Керамические горелки имеют определенные преимущества благодаря своим особенностям конструкции.

Отверстие, через которое воздух горячего дутья выходит из печи, расположено сбоку от камеры сгорания, обычно на высоте от 4 до 7 м над горелкой. Между воздухонагревателем и магистралью горячего дутья расположен водоохлаждаемый клапан горячего дутья, препятствующий попаданию воздуха высокого давления магистрали в печь в процессе нагрева. Клапан горячего дутья обычно располагается на небольшом расстоянии от печи, чтобы уменьшить количество излучения, которое он получает от дымовых газов. В некоторых доменных цехах холодный воздух смешения, который используется для регулирования температуры горячего дутья, смешивается с горячим воздухом из печи на стороне клапана печи. Это делается для того, чтобы клапан не подвергался воздействию воздуха при максимальной температуре, достигаемой в куполе печи. Некоторые доменные печи имеют одно центральное отверстие смесителя холодного дутья, расположенное в магистрали горячего дутья между ближайшей печью и самой печью.

Преимущество центральной системы заключается в меньшем количестве тепловых циклов магистрали горячего дутья с более высокотемпературными системами. Большинство клапанов горячего дутья относятся к шиберному или грибовидному типу и имеют диаметр от 1,2 до 2,0 м.

Для разогрева печи требуется как минимум контрольно-измерительная аппаратура в области свода, огнеупора насадки и области выхода дымовых газов. В куполе воздухонагревателя имеется отверстие, через которое обычно вставляется термопара или датчик температуры радиационного типа. Этот прибор предназначен для контроля количества газа и воздуха в процессе обжига. Приборы контроля температуры в своде, шашках и зоне отвода газов также используются для защиты огнеупоров от перегрева.

В форкамере под решеткой, поддерживающей шашки, имеются отверстия в дымовую трубу и в магистраль холодного дутья. Как правило, имеется два дымовых клапана диаметром от 1,5 м до 2,0 м, которые открываются при топке печи, чтобы продукты сгорания вытягивались в дымовую трубу. Когда печь работает на дутье (нагрев дутьевого воздуха), задвижки дымохода закрыты. Седла клапана устроены таким образом, что, когда печь работает на дутье, давление в печи удерживает седла вместе, чтобы предотвратить утечку. Когда печь должна быть снята с дутья и включена, имеется продувочный клапан, который открывается для сброса давления. Из-за необходимости быстрого сброса давления в печи воздух должен выходить с очень высокой скоростью. Следовательно, продувочные клапаны оснащены глушителями, чтобы поддерживать уровень шума в допустимых пределах.

Клапан холодного дутья закрывается давлением в магистрали холодного дутья. Прежде чем этот клапан можно будет открыть, открываются маленькие отверстия в диске клапана, чтобы создать давление в печи и уравнять давление с каждой стороны клапана.

На некоторых современных доменных печах печи оборудованы камерами сгорания, полностью внешними по отношению к корпусу печи. Эти печи имеют внешние металлические горелки, расположенные в верхней части печи.

Преимущество такой конструкции в том, что весь корпус печи можно заполнить шашками. Кроме того, тепловая картина в печи намного более симметрична, и гораздо меньше напряжений, которые имеют тенденцию деформировать и разрушать кирпичную кладку. Однако было много проблем, вызванных напряжением, которые привели к разрыву стальной конструкции соединительной секции между камерой сгорания и печью. В результате в этом месте требуется частый ремонт металлоконструкций.

Воздушная сеть

Между воздухонагревателями и нагнетателем доменной печи проходит магистраль холодного дутья. Он не имеет футеровки, потому что температура холодного дутья обычно составляет от 150 до 250°С, т.е. температура, возникающая в результате теплоты сжатия в нагнетателе. На печном конце магистрали расположены клапаны холодного дутья для печей и линия смесителя, оснащенная дроссельной заслонкой. Для поддержания постоянной температуры горячего дутья в доменной печи термопара в магистрали горячего дутья управляет дроссельной заслонкой на линии смесителя и пропорциональна количеству воздуха, подаваемого в воздухонагреватель, и количеству воздуха, проходящего через него.

Когда нагретая печь впервые включается в дутье, температура нагретого воздуха намного выше требуемой температуры горячего дутья, поэтому значительная часть воздуха должна обходить печь. По мере отвода тепла от печи и снижения температуры дроссельная заслонка на линии смесителя постепенно закрывается и нагнетает больше воздуха через печь. В некоторых автоматических системах смены печи положение регулирующего клапана используется как сигнал, инициирующий замену печи.

Магистраль холодного дутья также оснащена дышащим клапаном, обычно расположенным рядом с доменной печью, который открывается, когда необходимо быстро снизить давление дутья. Это выпускает воздух холодного дутья в атмосферу и поддерживает положительное давление в линии холодного дутья, так что газ из печи не может вернуться к воздуходувке. Из-за быстрого выброса воздуха при открытии нюхательного клапана он также обычно оснащен глушителем.

Для получения дутьевого воздуха многие доменные печи оборудованы центробежными турбонагнетателями, имеющими три или четыре ступени. Для очень больших доменных печей обычно предусмотрены два воздуходувки , которые работают параллельно. Однако в очень больших доменных печах осевой нагнетатель можно использовать более эффективно.

На предприятиях, где дутье обогащается кислородом, кислород обычно подается при атмосферном давлении на вход турбонагнетателя или может подаваться под давлением в магистрали холодного дутья. Влага добавляется в трубопровод холодного дутья, когда это требуется для контроля влажности струи.

Паяльная трубка, которая соединяет систему горячего дутья с фурмой, вставляется в обработанное сферическое гнездо в основании фурмы. Фурменный охладитель и фурма имеют водяное охлаждение. В современных доменных печах с температурой горячего дутья от 1000°С до 1200°С водоводы фурменного тела рассчитаны на поддержание скорости воды выше 20 м/с, а носовые водоводы фурмы рассчитаны на поддержание скорости воды выше 27,5 м. /сек для улучшения скорости теплообмена. Обычно носовая часть паяльной трубы также охлаждалась водой, хотя в старых доменных печах этого не делалось. Вспомогательная трубка для впрыска топлива входит через стенку нагнетательной трубки и обычно выпускает топливо немного от центральной линии и примерно на 50 мм назад от носовой части нагнетательной трубки. При использовании угольной пыли в качестве фурменного топлива размещение впрыскивающей фурмы имеет более важное значение, чтобы избежать столкновения с внутренней частью фурмы и для лучшего сгорания угольной пыли.

Паяльная трубка плотно прилегает к фурме за счет натяжения уздечного стержня, соединяющего шток фурмы с кожухом пода. Пружина уздечки на конце стержня уздечки допускает ограниченное движение, когда паяльная трубка расширяется и сжимается при изменении температуры горячего дутья. Сама паяльная трубка представляет собой трубку из легированной стали, облицованную огнеупорным материалом, чтобы металл не перегревался.

В задней части фурменного штока по средней линии паяльной трубки и фурмы имеется небольшое отверстие, через которое можно вставить стержень для очистки материала из паяльной трубки. Отверстие закрыто крышкой, которую можно открыть при необходимости, но в закрытом состоянии она газонепроницаема. В этой крышке, называемой фурменной крышкой, имеется глазок со стеклянным покрытием, который позволяет оператору осматривать внутреннюю часть печи непосредственно перед фурмой. Верхняя часть штока соединена шарнирным соединением с футерованным огнеупором патрубком гузнека, к которому он прижат проушинами и шпонками, входящими в гнезда подвесных стержней. Каждая гусиная шея, в свою очередь, соединена фланцами и болтами с горловиной, идущей радиально от внутреннего диаметра жерновной трубы. Труба дутья представляет собой большую круглую трубу с огнеупорной футеровкой и теплоизоляцией, которая окружает печь на уровне над кожухом и распределяет дутье от магистрали горячего дутья к каждому фурменному соединению.

Работа печи

В наши дни, при использовании хорошо подготовленной шихты и хорошего контроля распределения шихты, работа доменных печей намного более равномерна. Следовательно, доменные печи обычно работают очень близко к максимальной температуре горячего дутья, которую печи могут поддерживать или которую могут принять конкретные шихтовые материалы, не вызывая преждевременного плавления и плохого движения шихты. При более высокой температуре горячего дутья работа доменной печи более эффективна, так как больший процент потребляемого тепла обеспечивается явным теплом горячего дутья, а в доменной печи требуется меньше топлива. При работе системы горячего дутья керамическая насадка воздухонагревателей нагревается за счет сжигания доменного газа, иногда дополняемого коксовым газом, а затем воздух от воздуходувок пропускается через воздухонагреватели и нагревается горячим воздухом. чековая работа. В цикле нагрева печи топятся до тех пор, пока температура выходящих газов на клапанах дымовой трубы не достигнет установленной максимальной температуры около 400–450 градусов C, при этом стараются не перегревать своды печей. В течение отопительного цикла температуру на своде печи контролируют так, чтобы она не превышала максимума, определяемого, прежде всего, типом огнеупорного материала, используемого для футеровки свода. Если температура купола достигает этого максимума до того, как температура дымовых газов достигает своего максимума, через горелку добавляется избыточный воздух, чтобы удерживать температуру пламени и предотвращать перегрев купола, в то время как горение продолжается до тех пор, пока температура дымовых газов не достигнет своего предела. Однако, если температура купола не увеличивается достаточно быстро, чтобы достичь максимально допустимой температуры к моменту, когда температура дымовых газов достигает своего максимума, доменный газ обычно обогащают топливом с более высокой теплотворной способностью для получения более высокой скорости нагрева. /Р>

После того, как печь нагрета, она готова к дутью. Для этого сначала перекрывают подачу газа и воздуха к горелке, а затем закрывают запорный вентиль горелки и вентили дымохода. Затем клапан холодного дутья открывается таким образом, чтобы воздух, поступающий в печь, доводил ее до давления, равного давлению дутья, без чрезмерного снижения давления дутья. В некоторых современных установках доменных печей управление воздуходувкой переключается с регулирования постоянного объема на регулирование постоянного давления во время смены печи. В такой системе нагнетатель ускоряется, так что печь можно быстро заполнить и создать давление, не вызывая заметного снижения давления дутья.

После того, как печь заполнена, смесительный клапан (который регулирует количество холодного воздуха, который проходит вокруг печи для смешивания с очень горячим воздухом из печи для получения желаемой температуры горячего дутья) устанавливается примерно на правильное открытие. Затем открывается клапан горячего дутья, чтобы перевести печь в режим дутья, и когда печь находится в режиме дутья, контроллер температуры горячего дутья автоматически регулирует открытие смесительного клапана для поддержания желаемой температуры горячего дутья.

Воздухонагреватель после использования отключается от дутья путем закрытия сначала клапана холодного дутья, а затем клапана горячего дутья. Затем открывается продувочный клапан, чтобы сбросить давление в печи, а после сброса давления клапаны дымохода открываются, а продувочный клапан закрывается. Далее открывается запорный вентиль горелки и включается подача воздуха в горелку. Наконец, отсечной газовый клапан открывается для получения желаемого расхода газа.

На современных доменных печах клапаны печи моторизованы, а замена клапана автоматизирована, так что для замены печи требуется всего около трех минут. При более коротком времени смены можно увеличить время нагрева, чтобы можно было использовать более высокие температуры горячего дутья и получить большую эффективность. Цикл автоматической замены печи может быть инициирован либо нажатием кнопки на тендере печи, когда требуется замена, либо полностью автоматическим электронным сигналом. Этот сигнал может основываться на степени открытия смесительного клапана (например, когда смесительный клапан закрыт на 85 %), на температуре купола или строго на временном цикле.

Как правило, доменные печи оборудованы тремя воздухонагревателями, и каждый воздухонагреватель работает около часа. Таким образом, количество тепла, которое извлекается из печи во время дутья, должно быть возвращено в печь в период нагрева, который просто в два раза превышает время дутья минус удвоенное время замены печи. На некоторых печах по четыре печи. С дополнительной печью скорость горения не должна быть такой большой, потому что цикл нагрева в три раза больше цикла дутья минус удвоенное время смены печи. Еще одним преимуществом дополнительной печи является то, что при возникновении проблемы с печным оборудованием, печи можно ремонтировать по одной без существенного влияния на работу печи. На рис. 2 показана типичная схема с тремя воздухонагревателями.

Рис. 2. Типичная компоновка с тремя воздухонагревателями