Оптимизация систем сгорания для эффективных перегревательных печей

Основная функция перегревательной печи — нагревать полуфабрикаты (блюмы, слитки, кругляки) до температур 1000–1250 °C, чтобы они приобрели пластичность, необходимую для прокатки на горячих прокатных станах. Печь должна обеспечивать требуемые скорости нагрева с металлургической и производительной точек зрения. В печи происходит непрерывный поток материала, который нагревается до заданной температуры по мере прохождения через печь.

Энергетика и экология перегревательных печей

Горячая прокатка требует качественных перегретых полуфабрикатов при минимальных затратах и оптимальной производительности стана. Перегревательные печи потребляют большое количество энергии и выделяют значительные объемы загрязнителей. Поэтому необходимо искать пути снижения энергопотребления, выбросов и затрат через повышение топливной эффективности печей.

Влияние системы сгорания на качество и экономику

Система сгорания существенно влияет на качество перегрева и расход топлива. Современные требования к печам включают: снижение выбросов и энергопотребления, высокое качество нагрева, надежность, равномерность температуры и теплового потока, безопасность оборудования и персонала. Все эти факторы определяют проектирование системы сгорания.

Для начала и поддержания сгорания необходимы три компонента: топливо, кислород и достаточная энергия для зажигания. Сгорание наиболее эффективно, когда топливо и кислород реагируют без ограничений. Однако на практике нужно учитывать не только эффективность сгорания, но и теплопередачу. Ключевые параметры системы сгорания в перегревательной печи:

• Количество теплоты, передаваемое загружаемому материалу.
• Выработка теплоты в печи для нагрева загрузки и покрытия тепловых потерь.
• Передача части доступной теплоты от газов печи к поверхности загрузки.
• Выравнивание температуры внутри загрузки.
• Тепловые потери через двери, стены и другие элементы.
• Теплота, уносимая отходящими газами.
• Выбросы загрязнителей (NOx и др.) с отходящими газами.

Воздух, содержащий 78% азота и 1% аргона, не создает оптимальных условий для сгорания и теплопередачи. Азот нагревается при сгорании, и для экономии топлива необходимо возвращать эту энергию.

Тепло передается поверхности заготовки конвекцией, проводимостью и излучением. Внутри заготовки тепло переносится только проводимостью. Поэтому важны параметры поверхности заготовки (меняющиеся во времени), её габариты, материал и внутренние размеры печи.

Для эффективного и равномерного нагрева важны газообразный состав и структура течения внутри печи. Традиционная неоптимизированная стратегия нагрева может быть приемлемой в стационарном режиме, но не обеспечивает оптимального качества и затрат при перерывах производства, смене сортов или размеров продукции, или изменении целевых температур выкатки. Требуется решение, гарантирующее наивысшее качество и минимальные затраты при любых условиях с минимальным воздействием на окружающую среду.

Строгие экологические нормы требуют минимизации удельного расхода топлива и одновременного снижения выбросов оксидов азота (NOx). Противоречивые цели — минимум энергопотребления и выбросов при выполнении производственных задач — создают вызов операторам и поставщикам оборудования для применения всех доступных технологий проектирования энергоэффективных, экологически безопасных систем сгорания.

С конвенционными горелками эти цели часто конфликтуют. Однако современные технологии и горелки с диффузным пламенем, использующие предварительно нагрязженный воздух, позволяют достичь высокой эффективности при низких выбросах NOx.

Зонирование перегревательных печей

Существует много типов перегревательных печей. Конструкция обычно включает несколько зон: предварительного нагрева, нагрева и пропарки. Полуфабрикаты подаются в зону предварительного нагрева и последовательно проходят через зоны нагрева и пропарки. Нагрев до целевой температуры происходит в зонах предварительного нагрева и нагрева, а в зоне пропарки поддерживается равномерная температура за счет радиационного теплообмена. Каждая зона имеет свою цель и, как правило, независимое управление горелками, хотя продукты сгорания проходят через предыдущие зоны к дымоходу. Соотношение воздух/топливо устанавливается для получения заданного избытка кислорода в дымовых газах. Цель — обеспечить полное сгорание топлива в печи, избегая избыточного воздуха, снижающего эффективность.

Многозонная конструкция усложняет оптимизацию сгорания из-за взаимодействия зон, меняющихся требований к продукции, скорости выкатки и самого процесса извлечения заготовок. Факторы, вызывающие дрейф результатов:

• Неточный учет газа или воздуха.
• Изменения влажности воздуха.
• Миграция значительных количеств топлива или кислорода из другой зоны.
• При предварительном нагреве воздуха рекуператорами: утечки в трубопроводах или рекуператорах, выход из калибровки температурных поправочных коэффициентов, сезонные вариации.
• Износ или повреждение клапанов и приводов.
• Утечки печи.

На основе возможностей горелок и желаемого избытка кислорода для каждой зоны задаются фиксированные стехиометрические соотношения. Они могут отличаться между зонами по двум причинам:

• Желаемый избыток кислорода может отличаться из-за соотношения между уровнем кислорода, температурой и образованием шкалы.
• Стехиометрия может корректироваться для разных диапазонов регулирования горелок из-за их смесительных возможностей.

Оператор обычно не знает, находится ли кислород у заданной уставки, из-за отсутствия обратной связи в реальном времени. Последствия такой неопределенности значительны. При отклонении стехиометрии от уставки: если фактический кислород выше уставки — эффективность снижается, растут затраты на топливо; если ниже — возрастает угарный газ (CO), создается опасная ситуация и снижается эффективность из-за несгоревшего топлива. Контроллеры соотношения воздух/топливо постоянно меняют уставки, поэтому степень окисления всегда меняется. На практике всегда наблюдается некоторая степень неполного сгорания. Причины плохого смешивания:

• Эффективность горелки.
• Диапазон регулирования.
• Несоответствие скоростей воздуха и топлива.
• Выход из регулировки контроллера соотношения.
• Утечки печи.

Неполное сгорание из-за плохого смешивания может привести к сосуществованию CO и кислорода. Оптимальная работа печи требует данных о продуктах сгорания в реальном времени с подходящими датчиками.

Рекуперативное предварительное нагревание воздуха

Рекуператор используется как установка для восстановления отходящего тепла для достижения высокой тепловой эффективности. Возвращенное тепло предварительно нагревает воздух для сгорания, что экономит топливо и улучшает сгорание. Недостатки: необходимость крупногабаритной системы восстановления тепла, температура предварительно нагретого воздуха обычно всего 600–700 °C.

Две современные технологии: HiTAC и окси-топливное сгорание

Технология сгорания при высокой температуре воздуха (HiTAC)

Технология HiTAC использует предварительно нагретой воздух выше 1000 °C. Внедрение в перегревательных печах позволяет одновременно снизить потребление энергии и выбросы CO2 и NOx. Также уменьшаются физические размеры печи по сравнению с традиционной.

Основная идея HiTAC — сочетание максимального восстановления отходящего тепла высокочастотным регенератором и контролируемого смешивания высоко нагретого воздуха с продуктами сгорания, что дает равномерные пламена относительно низкой температуры.

Регенеративные горелки HiTAC обладают уникальными характеристиками: эффективное и чистое пламя с равномерным профилем температуры и теплового потока. Это повышает производительность, качество продукции и создает более мягкую среду для компонентов печи. HiTAC снижает операционные затраты.

HiTAC обеспечивает: высокую устойчивость пламени при любых смесях топливо-воздух (включая очень бедные), высокую теплопередачу, низкие потери тепла с дымовым газов. Метод обеспечивает рециркуляцию тепла от стороны высокой температуры (сгоревший газ) к несгоревшей смеси через теплообменник. Предварительный нагрев дает дополнительную энтальпию без разбавления продуктами сгорания.

При HiTAC наблюдаются: принципиально другие характеристики пламени, высокая устойчивость, низкие выбросы, значительная экономия энергии. Цвет пламени отличается от обычного синего или желтого — могут наблюдаться сине-зеленые и зеленые пламена при углеводородном топливе. Также возможна безпламенная (бесцветная) окисление топлива.

Основные черты HiTAC:

• Сгорание углеводородов при очень высокой температуре предварительного нагрева воздуха с регенератором в горелке.
• Сensitive теплота отходящих газов нагревает воздух для сгорания (>1000 °C). Стремится к температуре предварительного нагрева, близкой к целевой температуре печи.
• Температура отходящих газов 150–200 °C.
• Извлекается большая часть энергии топлива для нагревательного процесса.
• Экономия топлива 50% (замена холодного воздуха) и 30% (замена воздуха от рекуператоров).
• Очень равномерное распределение тепла в печи.
• Очень низкое образование NOx.

В регенеративной горелке используется парная конфигурация: каждая горелка чередует фазы горения и вытяжки. Воздух циклически проходит через два набора каналов: нагревается регенератором, затем продукты сгорания нагревают регенератор. На следующем цикле пути меняются местами.

Концепция HiTAC иллюстрирована на рис. 1 и сравнивается с конвенциональным сгоранием. При прямом сгорании топлива и высокотемпературного свежего воздуха образуются экстремально высокотемпературные пламена. Благодаря измененной геометрии печи происходит не только гашение базовых пламен сдвиговым движением высокоскоростного входящего воздуха, но и разбавление воздуха сгоревшими газами (BH) до сгорания за счет разделения входов топлива и воздуха. Это условия, при которых обычное сгорание при температуре окружающей среды не может поддерживаться. Кроме того, топливо, подаваемое отдельно, также захватывает сгоревший газ в печи, и в этот период подготовки в топливе могут происходить пиролиз, разложение, испарение жидкого топлива. Слабые реакции сгорания могут происходить между топливом и захваченными продуктами (B*F), а основное сгорание следует в зоне смешивания топлива и разбавленного воздуха с большим количеством сгоревших газов (B*F*BH). Изменение пламени из-за низкой концентрации кислорода, вызванное высокой степенью рециркуляции сгоревших газов, вероятно, дает расширенную зону реакции с относительно медленными реакциями. При установленном сгорании без предварительно нагретого воздуха прямое сгорание топлива и свежего воздуха (F*A) происходит в ближней зоне горелки. Затем может следовать сгорание в разбавленных условиях с сгоревшими газами в низинной части пламени из-за захвата рециркулирующих сгоревших газов входящим воздухом. Сгорание (F*A) вблизи горелки показывает максимальную температуру в печи, и там образуется большая часть NOx. Однако сгорание в этом регионе необходимо для поддержания сгорания в печи, и все пламя не может существовать, если в этой части происходит гашение.

Рис. 1 Концепция смешения и сгорания с технологией HiTAC

Несмотря на использование высоко нагретого воздуха, средняя и мгновенная пиковая температуры в HiTAC значительно ниже, чем при обычном сгорании.

Окси-топливная система сгорания

Окси-топливное сгорание — полная замена воздуха кислородом (производимым криогенными или адсорбционными технологиями) в качестве окислителя. Главное преимущество — практически полное устранение азота, поступающего с воздухом. Снижение азота позволяет получить более высокую температуру пламени и эффективность сгорания, так как меньший объем газов сгорания забирает меньше тепла из пламени и теряет меньше с отходящими газами. Преимущества окси-топливного сгорания по сравнению с воздушно-топливным:

• Снижение энергопотребления.
• Повышение скорости нагрева и производительности (без повышения уставки температуры печи).
• Снижение выбросов печи.

Дополнительные преимущества: иногда более низкие капитальные затраты по сравнению с рекуператорами или газоочистным оборудованием; меньшие потери металла от шкалы благодаря лучшему контролю и сокращенному времени нагрева.

По сравнению с воздушно-топливным, окси-топливное сгорание имеет гораздо более высокое парциальное давление двух продуктов сгорания — CO2 и H2O. Это улучшает скорость теплопередачи. Поскольку отходящие газы не разбавлены азотом, газовая фаза активнее участвует в теплопередаче: выше теплопроводность и теплоемкость CO2 и H2O, и оба являются высокоизлучающими трехатомными газами.

Гидравлика в окси-топливной печи выгоднее: объем отходящих газов снижен на 70–80% (нет азота + экономия топлива). Время пребывания газа длиннее, больше времени для передачи тепла заготовке. Заготовка фактически погружена в газообразную среду из CO2 и H2O — влажную атмосферу с более высокой теплопередающей способностью.

При одинаковой уставке температуры печи материал быстрее достигает целевой температуры в окси-топливной печи из-за свойств газа.

При окси-топливном сгорании наблюдается существенный рост доступной теплоты по сравнению с воздушно-топливным. Рост доступной теплоты напрямую связан с снижением энергопотребления и ростом пропускной способности печи. Больше доступная теплота — меньше тепла уходит в отходящие газы, больше процент энергии работает в печи. При увеличении доступной теплоты снижается общий объем энергии, необходимый для постоянного объема работы.

Экономия энергии зависит от типа топлива, существующего соотношения сгорания и температуры воздуха для сгорания. Другие факторы: уменьшение размера дымоходного отверстия и радиационных потерь влияют на фактическую степень снижения энергопотребления. Еще один эффект повышения эффективности — возможность увеличить скорость нагрева и производительность печи.

Практический предел роста производства зависит от способности материала поглощать тепло и времени/температуры воздействия. Опыт показывает: пропускная способность можно увеличить в большинстве операций без повышения уставки температуры, за исключением печей, уже работающих на пределе температурного градиента. Помимо роста доступной теплоты, более высокая температура пламени и излучающий потенциал газов сгорания положительно влияют на нагревательную способность и производительность.

Температура окси-топливного пламени обычно на 500–800 °C выше воздушно-топливного. Так как радиационная теплопередача зависит от разности температур в четвертой степени, окси-топливное сгорание дает большой рост радиационного потенциала пламень-материал. Продукты сгорания окси-топливного процесса также лучшие источники радиационного тепла: большинство продуктов воздушно-топливного сгорания — азот, менее эффективный для радиации, чем CO2 и H2O, составляющие основу окси-топливных продуктов.

В некоторых случаях производство ограничено допустимым объемом газовых выбросов. Окси-топливное сгорание может снизить выбросы и позволить увеличить мощность в пределах допустимого лимита.

Объем отходящих газов при окси-топливном сгорании значительно ниже. Обычно 70–90% меньше, чем при воздушно-топливном. В многих случаях само сокращение объема выгодно, особенно где имеющееся газоочистное оборудование ограничено и/или выбросы пыли являются проблемой. Более важный результат — снижение выбросов определенных компонентов. Наиболее очевидно — снижение расхода топлива, что снижает выбросы CO2 за единицу времени или на единицу нагретого материала. Хотя выбросы CO2 сейчас не являются главной проблемой, глобальное потепление указывает на ужесточение норм в будущем. Более непосредственная забота — выбросы NOx. При окси-топливном сгорании парциальное давление азота в продуктах сгорания резко снижается, уменьшая потенциал образования NOx даже при повышенной температуре пламени. Многие факторы влияют на выбросы NOx: чистота кислорода и др. Главный фактор минимизации NOx — контроль давления в печи. Вторичные утечки воздуха в сочетании с высокой температурой пламени могут сильно снизить эффект окси-топливного сгорания как метода контроля NOx.

Окси-топливные пламена имеют более высокую температуру, меньший объем и длину. Характеристики пламени нужно учитывать при проектировании горелок для перегрева стали. Обычно требуется равномерное распределение температуры, чтобы избежать локального перегрева или недогрева. Тип и размещение горелок зависят от типа печи и близости пламени к заготовкам.

Рециркуляция продуктов сгорания способствует движению газов в камере нагрева, минимизируя температурные разницы. Рециркуляция в окси-топливное пламя снижает пиковую температуру и дает более равномерный профиль излучения, защищая заготовки ближе к горелке от перегрева. Существует несколько конструкций горелок для получения эффекта рециркуляции, включая запатентованные сопла и конструкции, использующие импульс пламени для рециркуляции газов.

Несмотря на существенные выгоды по эффективности, низкий объем продуктов сгорания требует особого внимания при проектировании систем управления сгоранием. Правильный контроль соотношения сгорания критичен, так как продукты сгорания формируют нагревательную атмосферу и влияют на скорость и тип образования шкалы. В воздушно-топливных системах большой объем азота служит амортизатором/коэффициентом безопасности против изменений соотношения воздух/топливо. При окси-топливном этот амортизатор практически устранен. Это означает, что процентное изменение соотношения кислород/топливо при окси-топливном сгорании оказывает больший влияние на атмосферу печи, чем то же изменение при воздушно-топливном.

Хороший контроль атмосферы при окси-топливном сгорании требует более высокой точности системы управления, чем при воздушно-топливном. Обычно требуется массовый расходный контроль для точности, необходимой для поддержания хорошей атмосферы. Другая важная переменная — системы управления вытяжкой и давлением печи.

Объем отходящих газов при окси-топливном сгорании снижается до 10–30% от объема при воздушно-топливном в зависимости от прироста тепловой эффективности. Это значит, что существующие системы контроля давления для воздушно-топливного сгорания в большинстве случаев неадекватны для поддержания хорошего контроля давления при переходе на окси-топливное. Конкретно, диапазон регулирования приборов контроля давнения с большими дымоходными отверстиями и заслонками, используемыми при воздушно-топливном сгорании, сокращается до неэффективности при объемах окси-топливных отходящих газов. Поэтому необходимо уменьшить размер дымоходного отверстия при переходе на окси-топливное сгорание или компенсировать меньший объем выхлопа при проектировании новых печей. Отсутствие хорошего контроля давления может привести к третичным утечкам воздуха, которые становятся источником азота для дополнительного образования NOx, тем самым минимизируя или устраняя потенциал снижения выбросов. Утечка воздуха также влияет на атмосферу печи и создает сложности для контроля качества поверхности стали.

Скорость и тип образования шкалы — важное соображение для операций перегрева стали независимо от типа системы сгорания. Помимо марки стали, атмосфера печи и скорость нагрева — главные факторы, управляющие образованием шкалы. Хороший контроль соотношения сгорания и давления печи необходим для контроля шкалы и качества поверхности. Однако атмосфера, создаваемая окси-топливным сгоранием, отличается от атмосферы при воздушно-топливном даже в идеальных условиях.