Оптимизация генерации горячего надува с регенеративными домнами

Генерация горячего надува и домны

Домна (hot blast stove) — установка для непрерывной подачи горячего надува в доменную печь. Перед подачей надува в дуйеры печи он прогревается прохождением через регенеративные домны, нагреваемые преимущественно сгоранием верхового газа печи (доменного газа). Таким образом, часть энергии верхового газа возвращается в печь в виде чувствительного тепла. Эта дополнительная тепловая энергия, возвращаемая в печь как тепло, существенно снижает потребность печи в коксе и облегчает внедрение вспомогательных видов топлива, таких как порошковый уголь, в замену дорогого металлургического кокса. Это повышает эффективность процесса. Дополнительное преимущество от снижения потребности в топливе — увеличение скорости производства чугуна. Все это существенно снижает стоимость чугуна.

История домн

Использование доменных печей восходит к V в. до н.э. в Китае. Однако эффективность печей была революционизирована только в 1828 году предварительным нагревом с помощью горячих печей в связке с процессом, инновация Джеймса Бомонта Нильсона, ранее прораба на глазgowском газовом заводе. Он изобрел систему предварительного нагрева надува для печи. Он обнаружил, что повышая температуру до 300 °F (149 °C), он мог снизить расход топлива с 8,06 до 5,16 т с дальнейшим снижением при более высоких температурах. В 1860 году совместное использование горячих печей с доменными печами было дальше преобразовано Эдвордом Альфредом Каупером за счет рециркуляции верхового газа печи вместо получения твердого топлива, как в ранних конструкциях.

Ранние конструкции горячих печей, используемых с доменными печами, изначально размещали на верху печи, а не рядом с ней, как в современной компоновке. Они использовали отходящее тепло печи, подаваемое через чугунные трубы к горячей печи для предварительного нагрева холодного надува. Главная проблема чугунных труб — образование трещин по всей длине. Это устранили устранением труб и использованием огнеупоров. Это также способствовало проектировке компоновки горячей печи с печью: использование двух–четырех печей, установленных в ряд рядом с печью. Это позволяло нагревать одну печь верховым газом печи, пока другая отдавала накопленное тепло для предварительного нагрева надува в печь. Когда надувной воздух входил в печь, он прогревался горячими кирпичами и выходил из печи как горячий надув. Cambria Iron Works была первой компанией в США, использовавшей регенеративные печи в 1854 г. Эти печи были построены из стальных оболочек, облицованных огнеупором, и содержали множественные проходы огнеупора для надува. Типичная печь такого дизайна имела около 186–232 м² нагревательной поверхности. В 1870 г. Whitwell Stoves спроектировали и изготовили более крупные печи с нагревательной поверхностью около 8546 м², способные подавать горячий надув 454–566 °C в доменную печь. Это также были первые печи, использувшие шестигранные рефракторные шашечки (checkers), чугунные опоры шашечек и полуэллиптические камеры сгорания для улучшения распределения газа по шашечкам.

Характеристики современной домны

Теплота сгорания верхового газа печи недостаточно высока для достижения высокой температуры пламени, необходимой для более высоких температур горячего надува 1000–1200 °C. Поэтому верховой газ для печей обычно обогащают добавлением топлива гораздо более высокой теплоты сгорания, такого как коксовый газ, для получения высокой температуры пламени. Однако многие современные печи имеют домны с горелками, рассчитанными на использование только верхового газа печи.

Современные домны доменной печи имеют следующие характеристики:

• Достижение высокой эффективности сгорания — даже при работе только на верховом газе печи.
• Меньшее тепловое излучение от корпуса печи.
• Низкие строительные затраты.
• Высокий ресурс службы печи — ожидаемый ресурс современной печи около 40 лет.
• Полное устранение коррозионного трещинобразования под напряжением.
• Низкая концентрация несгоревшего CO над верхней поверхностью шашечных кирпичей.

Большинство печей оснащены тремя домнами, хотя в некоторых случаях их четыре. Печи — высокие цилиндрические стальные конструкции, облицованные изоляцией и почти полностью заполненные шашечными кирпичами, где тепло накапливается и затем передается надувному воздуху. Каждая печь примерно по диаметру равна печи, а высота колонны шашечек около 1,5 раза выше рабочей высоты печи. На современных печах соотношение размера печи к размеру печи еще больше. Например, типичная новая печь имеет диаметр נחлста 9,75 м и рабочую высоту 25,9 м, и оснащена тремя печами, каждая с внутренним диаметром 10,36 м и высотой шашечек 40 м.

Рис. 1 показывает типичные поперечные сечения конвенциональной двухпроходной домны. Как видно на рисунке, овальная камера сгорания занимает около 10% общей поперечной площади печи. Она простирается от дна печи до примерно 4 м от вершины купола печи. Прочная кирпичная перегородка (breast wall) отделяет камеру сгорания от остальной части печи, заполненной шашечными кирпичами, лежащими на стальной решетке, поддерживаемой стальными колоннами.

Внутри стальной оболочки есть изоляционная облицовка. Она обычно очень толстая на стороне камеры сгорания. Камера сгорания полностью окружена кирпичной стенкой колодца (well wall), облицованной сверхдюти огнеупорными кирпичами, содержащими 50–60% алюмины. Для очень высоких температур горячего надува свыше 1200 °C вся камера сгорания и купол облицовываются этим типом кирпича. Также верхние 8–10 м шашечек обычно из сверхдюти кирпичей.

Однако для более новых печей силициевые огнеупоры являются материалом выбора для улучшенной стабильности за счет устранения движений расширения в верхней конструкции во время работы.силициевые огнеупоры имеют дополнительное преимущество над алюминистыми — они устойчивы к накоплению пыли. По этой причине семь слоев силициевых шашечек обычно устанавливают на вершине шашечной шахты в алюминистых печах.

При возведении купола используют аркированные кирпичи и предусматривают зазор между кирпичом и куполом для расширения кольцевой стены, от которой он поддерживается. В некоторых печах есть смещение в стальной конструкции на вершине кольцевой стены, чтобы куполный кирпич мог поддерживаться независимо.

Традиционные полусферические купола, хотя просты по форме, имеют естественную нестабильность со склонностью верхней части купола к обрушению первой. Поэтому у некоторых печей купол имеет форму инвертированной цепной линии (inverted catenary). Этот купол имеет статически сбалансированную форму и может быть построен с минимумом спецформованных кирпичей. Поскольку куполные огнеупоры грибовидной формы также расширяются и сжимаются, шарнирная опорная конструкция позволяет этим движениям без воздействия силы на конструкцию.

С лучшими газоочистными установками, доступными сейчас, можно использовать шашечки с меньшими флюзами без опасности закупорки флюз грязью. С меньшими флюзами скорости теплообмена лучше, так как отношение нагревательной поверхности к весу шашечек велико и больше веса шашечек устанавливается в доступном пространстве. Однако с меньшими флюзами стало очень важно правильно укладывать шашечки, чтобы флюзы идеально совпадали. Невыровненные флюзы значительно увеличивают перепад давления через печи и препятствуют эффективному использованию всей теплоемкости.

Горелка для печи доменной печи расположена у основания камеры сгорания. На большинстве домн горелки внешние по отношению к камере сгорания. Между горелкой и печью находится клапан отсека горелки (burner shutoff valve), который закрыт для изоляции горелки, когда печь на надуве, но открыт, когда печь разогревается. Газ и воздух для сгорания частично смешиваются в металлической горелке, но из-за их высокой скорости через горелку фактическое воспламенение, вероятно, не происходит до внутри печи. Смесь газа и воздуха ударяет в целевую стену (target wall) прямо напротив горёлочного окна, а затем делает поворот на 90 градусов.

Сгорание продолжается, пока газ поднимается по камере сгорания. Когда печь нужно разогреть из холодного состояния, обычно используют поджигатель для начала сгорания, но во время нормальной работы остаточное тепло в целевой стене достаточно для воспламенения.

В нескольких современных печах используют керамические горелки. Эти горелки со своими камерами смешивания устанавливаются внутри камеры сгорания, и огонь идет вверх в вертикальном направлении вместо горизонтального, как у конвенциональных металлических горелок. С этим типом горелки требуются клапаны отсека в обеих газовой магистрали и воздуховоде сгорания. Эти клапаны способны выдерживать силу надувного давления. Керамические горелки имеют определенные преимущества благодаря своим специальным конструктивным особенностям.

Отверстие, через которое горячий надувной воздух выходит из печи, расположено на стороне камеры сгорания обычно 4–7 м выше горелки. Между печью и горячей надувной магистралью находится водоохлаждаемый клапан горячего надува (hot blast valve), предотвращающий попадание высокого давления воздуха в магистрали в печь во время нагрева. Клапан горячего надува обычно расположен на коротком расстоянии от печи для уменьшения излучения, которое он получает от газов сгорания. В нескольких доменных цехах холодный смешивающий воздух, используемый для контроля температуры горячего надува, смешивают с горячим воздухом от печи на стороне печи клапана. Это для предотвращения воздействия на клапан воздуха при максимальной температуре, получаемой в куполе печи. Некоторые печи имеют центральный единый холодный надувной микшер, расположенный в горячей надувной магистрали между ближайшей печью и самой печью.

Центральная система имеет преимущество меньшего числа тепловых циклов горячей надувной магистрали с системами более высокой температуры. Большинство клапанов горячего надува — типа шлюза (gate type) или грибовидного (mushroom type) и диаметром 1,2–2,0 м.

Перегрев печи требует приборостроения в зоне купола, шашечном огнеупоре и зоне выхода отходящего газа минимум. В куполе печи есть отверстие, через которое обычно вставляют термопару или радиационный детектор температуры. Этот прибор контролирует количество газа и воздуха в процессе разогрева. Приборы мониторинга температуры в куполе, шашечках и зоне отходящего газа также используются для защиты огнеупоров от перегрева.

В пленумной камере под решеткой, поддерживающей шашечки, есть отверстия к дымоходу и к холодной надувной магистрали. Обычно есть два дымоходных клапана, диаметром 1,5–2,0 м, которые открываются, когда печь нагревается, чтобы продукты сгорания отводились к дымосборнику печи. Когда печь на надуве (нагревает надувной воздух), дымоходные клапаны закрыты. Седла клапанов расположены так, что когда печь на надуве, давление в печи держит седла вместе для предотвращения утечек. Когда печь нужно снять с надува и поставить на разогрев, есть клапан сброса (blow off valve), который открывается для сброса давления. Из-за необходимости быстрой депрессизации печи воздух должен выходить с очень высокой скоростью. Следовательно, клапаны сброса оснащены глушителями для поддержания уровня шума в допустимых пределах.

Клапан холодного надува — тип, который удерживается закрытым давлением в холодной надувной магистрали. Прежде чем этот клапан можно открыть, маленькие порты в клапанном диске открывают для давиления печи и выравнивания давления по обе стороны клапана.

На нескольких современных печах печи оснащены камерами сгорания, полностью внешними по отношению к оболочке печи. Эти печи имеют внешние металлические горелки, расположенные у вершины печи.

Преимущество этого дизайна — вся оболочка печи может быть заполнена шашечками. Кроме того, тепловой рисунок в печи гораздо более симметричен и есть гораздо меньше напряжений, склонных к искажению и разрыву кладки. Однако было много проблем, вызванных напряжениями, приведших к разрывам в стальной конструкции стыкового участка между камерой сгорания и печью. В результате требуются частые ремонты стальной конструкции в этом месте.

Воздушная сеть

Между горячими печами и дутевой машиной печи находится холодная надувная магистраль (cold blast main). Она не облицована, так как температура холодного надува обычно 150–250 °C — температура от тепла сжатия в дутевой машине. На конце магистрали у печей находятся клапаны холодного надува для печей и линия микшера с бабочковым клапаном. Для поддержания постоянной температуры горячего надува печи термопара в горячей надувной магистрали управляет этим бабочковым клапаном в линии микшера и пропорционирует количество воздуха, подаваемого в печь, и количество, обходящего её.

Когда разогретая печь впервые идет на дув, температура нагретого воздуха намного выше желаемой температуры горячего надува, поэтому значительная часть воздуха должна обходить печь. По мере удаления тепла из печи и снижения температуры, бабочковый клапан линии микшера постепенно закрывается, заставляя больше воздуха проходить через печь. В некоторых автоматизированных системах смены печей положение регулирующего клапана используется как сигнал, инициирующий смену печи.

Холодная надувная магистраль также оснащена клапаном сброса (snort valve), обычно расположенным у печи, который открывается, когда необходимо быстро снизить надувное давление. Это сбрасывает холодный надувной воздух в атмосферу и поддерживает положительное давление на холодной надувной линии, чтобы газ из печи не мог вернуться к дутевой машине. Из-за быстрого сброса воздуха при открытии клапана сброса он также обычно оснащен глушителем.

Для генерации надувного воздуха многие печи оснащены центробежными турбодувами с тремя или четырьмя ступенями. Для очень крупных печей обычно предоставляют две дувки, работающие параллельно. Однако для очень крупных печей осевая дувка может использоваться более эффективно.

На заводах, где надув обогащается кислородом, кислород обычно добавляют при атмосферном давлении на входе турбодувки или под давлением в холодной надувной магистрали. Влагу добавляют в холодную надувную магистраль, когда требуется для контроля влажности надува.

Дуйерная труба (blowpipe), соединяющая систему горячего надува с дуьером, входит в механически обработанное сферическое седло (machined spherical seat) у основания дуйера. Кулер дуйера и дуйер водоохлаждаются. В современных печах с температурами горячего надува 1000–1200 °C водопроходы корпуса дуйера рассчитаны на скорость воды выше 20 м/с, а водопроходы ноздри дуйера — выше 27,5 м/с для улучшения скорости теплообмена. Обычно ноздра дуйерной трубы также водоохлаждается, хотя в старых печах этого не делали. Копье для внедрения вспомогательного топлива входит через стенку дуйерной трубы и обычно сбрасывает топливо немного от центра и примерно на 50 мм назад от ноздры дуйерной трубы. При использовании порошкового угля как дуйерного топлива размещение инъекционного копия еще более критично для избежания удара о внутреннюю поверхность дуйера и для лучшего сгорания порошкового угля.

Дуйерная труба удерживается плотно прижатой к дуьеру натяжением в штанге (bridle rod), соединяющей дуйерный сток (tuyere stock) с жакетом נחлста. Пружина штанги на конце штанги позволяет ограниченное движение при расширении и сжатии дуйерной трубы при изменении температуры горячего надува. Сама дуйерная труба — легированная стальная труба, облицованная огнеупорным материалом для предотвращения перегрева металла.

На тыльной стороне дуйерного стока на оси дуйерной трубы и дуйера есть небольшое отверстие, через которое можно вставить стержень для очистки материала из дуйерной трубы. Отверстие закрыто колпачком, который можно открыть при необходимости, но газисточен при закрытии. В этом колпачке, называемом дуйерным колпачком (tuyere cap), есть стеклянное смотровое окно (peep sight), позволяющее оператору осматривать внутренность печи прямо перед дуьером. Верхняя часть стока соединена шаровым шарниром (swivel joint) с огнеупорно облицованным ноздрем гусиного хлыста (gooseneck), к которому он зажимается лаггами и ключами, впирающимися в седла висячих брусьев. Каждый гусиный хлыст в свою очередь соединен фланцами и болтами с втулой, идущей радиально от внутреннего диаметра бастл-магистрали (bustle pipe). Бастл-магистраль — большой, круговой, огнеупорно облицованный и изолированный трубопровод, огибающий печь выше уровня мантии и распределяющий горячий надув из горячей надувной магистрали к каждому дуйерному соединению.

Эксплуатация печей

В наши дни, с использованием хорошо подготовленных зарядов и хорошим контролем распределения заряда, работа доменных печей намного более однородна. Поэтому печи обычно работают очень близко к максимальной температуре горячего надува, которую печи могут поддерживать или которую конкретные зарядные материалы могут принять без вызова преждевременного плавления и плохого движения заряда. При более высокой температуре горячего надува работа печи более эффективна, потому что больший процент потребляемого тепла обеспечивается чувствительным теплом горячего надува, и меньше топлива нужно в печи. В работе системы горячего надува керамическая шашечная работа печей нагревается сгоранием доменного газа, иногда дополняемого коксовым газом, а затем воздух от дувок проходит через печи и нагревается горячей шашечной работой. В цикле нагрева печи разогревают до достижения температуры выходных газов у клапанов дымохода установленного максимума около 400–450 °C, одновременно тщательно следя, чтобы не перегреть купол печи. В цикле нагрева температура на куполе печи контролируется так, чтобы она не превышала максимум, определяемый в первую очередь типом огнеупорного материала, используемого для облицовки купола. Если температура купола достигает этого максимума до того, как температура газа в дымоходе достигнет своего максимума, избыточный воздух добавляют через горелку для удержания температуры пламени и предотвращения перегрева купола, пока разогрев продолжается до достижения лимита температуры газа в дымоходе. Однако если температура купола не повышается достаточно быстро для достижения своего максимально допустимого значения к моменту, когда температура газа в дымоходе достигает максимума, верховой газ печи обычно обогащают топливом более высокой теплоты сгорания для получения более быстрой скорости нагрева.

После того как печь разогрета, она готова к вводу на дув. Это делается сначала закрытием подачи газа и воздуха к горелке, затем закрытием клапана отсека горелки и дымоходных клапанов. Клапан холодного надува затем открывают так, чтобы входящий в печь воздух приводил ее к давлению, равному надувному, без чрезмерного снижения надувного давления. В некоторых современных установках управления дувки переключают с режима постоянного объема на режим постоянного давления во время смены печи. В такой системе дувка разгоняется, чтобы печь могла быть заполнена и давилена быстро без заметного снижения надувного давления.

После заполнения печи клапан микшера (который контролирует количество холодного воздуха, обходящего печь для смешивания с очень горячим воздухом от печи для получения желаемой температуры горячего надува) устанавливают примерно на правильное открытие. Клапан горячего надува затем открывают для ввода печи на дув, и как только печь на надуве, контроллер температуры горячего надува автоматически регулирует открытие клапана микшера для поддержания желаемой температуры горячего надува.

Печь после использования снимают с надува закрытием сначала клапана холодного надува, затем клапана горячего надува. Клапан сброса затем открывают для депрессизации печи, и после депрессизации открывают дымоходные клапаны и закрывают клапан сброса. Затем клапан отсека горелки открывают, и подачу воздуха к горелке включают. Наконец, газовой клапан отсека открывают для получения желаемого расхода газа.

На современных установках клапаны печей приводные и смена печей автоматизирована, так что на смену печи нужно только около трех минут. С более коротким временем смены время нагрева можно увеличить, чтобы можно было использовать более высокие температуры горячего надува и получить большую эффективность. Автоматический цикл смены печей может инициироваться либо нажатием кнопки печевым мастером (stove tender) при необходимости смены, либо полностью автоматическим электронным сигналом. Этот сигнал может основываться на степени открытия клапана микшера (например, когда клапан микшера закрыт на 85%), на температуре купола или строго по временному циклу.

Типично печи оснащены тремя горячими печами, и каждая печь держится на надуве около одного часа. Таким образом, количество тепла, извлекаемое из печи пока она на надуве, должно быть возвращено в печь в период нагрева, который просто в два раза больше времени надува минус двойное время смены печей. На некоторых печах четыре печи. С дополнительной печью скорость разогрева не должна быть такой большой, потому что цикл нагрева в три раза больше цикла надува минус двойное время смены. Еще одно преимущество дополнительной печи — если есть проблема с оборудованием печей, их можно ремонтировать по одной без существенного влияния на работу печи. Рис. 2 показывает типичную компоновку с тремя горячими печами.