Горелки печей перегрева: типы, эффективность и экологичность

Типы горелок в печах перегрева

Стальная индустрия сталкивается с вызовом: снижение выбросов при сохранении экономической эффективности. Печи перегрева — ключевой участок с высоким энергопотреблением, определяющий производительность и энергоэффективность завода.

Современные печи — ходовые балки: балки поднимают заряд (квадраты, блумы, плиты) и перемещают его. Нагрев прямым горением топлива сверху и снизу: кровельные горелки (нагрев свода → излучение на заряд) и/или длиннопламенные горелки (боковые/фронтальные стены). Топлива: смешанный газ низкой калорийности (доменный + коксовый + конвертерный), коксовый газ, мазут, ЛСПС, природный газ.

Ключевые параметры горючей системы

Важны: топливо и его подача, состояние горения воздуха, горелки и их размещение для распределения тепла, предварительный нагрев воздуха и газа, система утилизации тепла, соотношение воздух/топливо, контроль тяги, выхлопная система, измерение и управление параметрами печи. Система должна обеспечивать: требуемую производительность, эффективное использование тепла, минимум потерь, эффективную утилизацию отходного тепла, минимальный износ огнеупоров, минимум парниковых газов (особенно NOx), атмосферу печи, минимизирующую закалинение.

Системы утилизации тепла

Потери с дымовыми газами — главная статья тепловых потерь. Утилизация повышает КПД и снижает расход топлива. Два типа:

• Централизованная: рекуператор (металлический) нагревает воздух теплом дымовых газов. Распространена. Макс. температура нагрева воздуха ~600 °C при температуре печи ~1300 °C (ограничение материалов рекуператора).
• Распределенная: коммутационные регенеративные горелки с керамическими шариками (обычно корунд). Дают более высокие температуры нагрева воздуха.

Роль горелок в энергоэффективности

Разные марки стали требуют разные температурные профили. Горелки должны быть гибкими для адаптации к условиям процесса. Необходимы: хороший коэффициент редукции (turn down), низкие NOx, высокий КПД.

Расстановка горелок критична для тепловых характеристик. По позиции выделяют три схемы: (1) осевые горелки во фронтальной стене, (2) боковые горелки в боковых стенах, (3) плоско-пламенные излучающие горелки в своде. Каждая имеет свои особенности. Выбор или комбинация — под местные условия. При наличии нескольких топлив — горелки должны быть мультитопливными.

Требования к правильному тепловому распределению

• Горение горелками в зоне разгрузки, сверху и/или снизу заряда.
• Пламя не должно касаться твердых объектов. Заслонка → дезатомизация топлива → неполное горение → черный дым. Пламя на заготовке → рост закалинения. Пламя на огнеупоре → продукты неполного горения разрушают огнеупор при высоких температурах.
• Пламена разных горелок не должны пересекаться → неполное горение. Желательно шахматное расположение по разные стороны.
• Пламя стремится двигаться свободно над заготовкой. Ось горелки не параллельна дну, а под углом вверх. Но пламя не должно бить в свод.
• Крупные горелки → длинные пламена, трудно удержать в печи. Лучше много горелок меньшей мощности — лучшее распределение тепла, выше ресурс печи.

Плоско-пламенные горелки (Flat Flame Burners — FFB)

Обычно в своде. Косвенная излучательная теплопередача: тепло от горения передается заготовке не только прямо от пламени, но и через огнеупорную кладку свода. Пламя обычно нелюминесцентное, высокотемпературное, с низкой излучательной способностью (селективное излучение CO₂ и H₂O). Нет удара пламени по заготовке → печи с FFB = печи косвенного нагрева.

Горелки раскидывают пламя тонким слоем по своду. Малое движение газов по оси → интенсивный теплообмен пламя-свод → свод становится главным излучающим элементом.

FFB целесообразны при: большой плоской поверхности заготовки, параллельной своду, и температуре нагрева >900 °C.

Преимущества FFB

• Более равномерное температурное поле в камере и заготовке. Хороший по зонам контроль → достижение нужной производительности.
• Более высокая скорость нагрева → меньше время на высоких температурах → меньше окисления, декарбуризации, грубения зерна.
• Снижение расхода топлива почти на 40% при снижении производительности печи с 100% до 50%.
• Интенсивное перемешивание газа и воздуха → быстрое полное горение при малом избытке воздуха.

Недостатки FFB

• Риск перегрева поверхности заготовки при резком изменении производительности.
• Чрезмерная скорость нагрева в начале камеры → нежелательные термические напряжения и деформации заготовки.

Длиннопламенные горелки

Широкая номенклатура по характеристикам, мощности, типу топлива (масло, газ, мультитопливные).

В печах с длиннопламенными горелками основная теплопередача — конвективная. Рециркуляция продуктов горения существенно ускоряет нагрев и улучшает равномерность. Горелки создают высокоскоростные газы, затягивающие и рециркулирующие продукты горения → равномерность при минимуме избыточного воздуха.

Фронтовые горелки (фронтальная стена): более длинное пламя, осевое горение, широкий диапазон регулирования, большая мощность, ограничение длины на зону вдоль печи. Течение газов плавное вдоль печи. Насовые части усложняют конструкцию. Равномерность по ширине хорошая, по длине — спад температуры у носовых частей. Работоспособность хорошая, кроме нижней зоны у горелок (выше температура).

Боковые горелки (боковая стена): более короткое переменное пламя, узкий диапазон регулирования, большая мощность, ограничение по ширине печи. Поток газов дрейфует (направление перпендикулярно длине печи). Нет носовых частей → конструкция проще. Равномерность по длине хорошая, по ширине — плохая. Работоспособность хорошая.

Регенеративные и рекуперативные горелки

Регенеративная горелка — с системой утилизации тепла выхлопа для нагрева горения воздуха. Дает значительную экономию топлива.

Принцип (рис. 1): два комплекта горелок с регенераторами и реверсивным клапаном. Регенератор — керамические шарики (корунд) накапливают тепло. Пока первая горелка работает на горение, вторая вытягивает дымовые газы через себя, нагревая шарики. Затем клапан переключает режимы: вторая горит с нагретым воздухом, первая принимает дымовые газы. Режимы чередуются каждые 30–60 сек. Высокая температура нагрева воздуха → высокая эффективность горения.

Рекуперативная горелка — структура как у радиационного теплообменника, нагревает воздух до ~750 °C за счет тепла дымовых газов. Экономия топлива ~25–30%.

Рис. 1. Принципы работы регенеративных и рекуперативных систем горелок

Окситопливные горелки

Окситопливо — полная замена воздуха техническим кислородом. Исключение азота → резкое снижение потерь тепла с выхлопом. Применяются в высокотемпературных печах, где критична равномерность температуры и нужны ультранизкие NOx.

Преимущества перед воздух-топливом: (1) снижение энергопотребления, (2) выше скорость нагрева → выше производительность без повышения уставки температуры, (3) снижение выбросов печи.

Пламя окситопливо: выше температура, меньше объем и длина. При проектировании учитывают требование равномерного нагрева. Тип и размещение зависят от печи и близости пламени к заготовке.

Низкий объем продуктов горения требует точного контроля соотношения O₂/топливо. В воздух-топливе большой объем N₂ демпфирует колебания соотношения. В окситопливе этого демпфера нет — изменение соотношения сильнее влияет на атмосферу печи.

Изменение атмосферы не ухудшает закалинение: выше pCO₂ и pH₂O → эффективнее теплопередача → выше скорость нагрева → меньше время на закалинение. Шкала тоньше и плотнее — быстрый рост плотного оксидного слоя препятствует дальнейшему окислению.