Сгорание топлива и теплоперенос в печах: оптимизация энергоэффективности

Сгорание топлива и теплоперенос в печи

Тепло в печи нужно для нагрева зарядки (материала, нагреваемого в печи) и иногда для химических реакций. Три источника тепловой энергии: (i) сгорание топлива, (ii) электроэнергия, (iii) химическая энергия через экзотермические реакции. За исключением электротермических печей, потребность в тепле (исключая химическую энергию) удовлетворяется сгоранием топлива. Топливо может быть газовым (побочные газы: коксовочный, доменный, конвертерный, природный газ, СПГ), жидким (мазут, дегть и др.) или твердым (уголь, кокс и др.).

Все виды топлива содержат потенциальную энергию. При сгорании эта энергия высвобождается в продуктах сгорания (ПС). Сгорание — управляемое высвобождение тепла и энергии из химической реакции между топливом и окислителем. Почти все промышленное сгорание использует углеводородное топливо. Обобщенная реакция сгорания типичного углеводородного топлива: топливо + окислитель = CO₂ + H₂O (пар) + другие компоненты. «Другие компоненты» зависят от типа окислителя и соотношения топливо/окислитель. Наиболее частый окислитель — воздух, содержащий ~79% азота (N₂) по объему, который проходит через процесс сгорания. Если сгорание топливное (богатое топливом) — недостаточно O₂ для полного сгорания, в выхлопе есть не сгоревшие углеводороды и мало или нет излишнего O₂. Если сгорание бедное (богатое окислителем) — излишек O₂ в выхлопе.

Топливо существенно влияет на теплоперенос в системе сгорания печи. Одно из важнейших свойств — теплота сгорания топлива. Она определяет, сколько топлива сжечь для желаемой производительности нагрева материала. Теплота сгорания указывается как высшая (HHV) или низшая (LHV).

LHV исключает тепло испарения — энергию для превращения жидкой воды в пар. Это означает, что LHV предполагает все ПС в газообразном состоянии, что верно для почти всех промышленных применений. Если продукты сгорания покидают процесс при температуре, достаточно низкой для конденсации всей воды в жидкость, тепло конденсации высвобождается в процесс как дополнительный источник энергии. HHV включает эту дополнительную энергию.

Состав топлива и продуктов сгорания

Состав топлива важен для определения состава ПС и количества окислителя для сгорания. Плотность топлива нужна для расчета расходов через топливоподводную систему и размеров труб.

Состав выхлопных газов критичен для теплопереноса в печи. Несгоревшие углеводороды в выхлопе указывают на неполное сгорание — не вся доступная теплота высвобождена. Высокие уровни излишнего O₂ в выхлопе обычно означают избыток окислителя. Избыток окислителя уносит чувствительную энергию с выхлопными газами. Опять часть доступной теплоты топлива не использована для нагрева зарядки. Если окислитель — воздух, большая часть доступной энергии топлива уходит в дымоход с выхлопными продуктами.

ПС передают тепловую энергию зарядке печи для нагрева до требуемой температуры и покидают печь. Чувствительное тепло ПС на критической процессной температуре недоступно для печи. Чем выше критическая процессная температура, тем выше чувствительное тепло ПС. Это чувствительное тепло очень важно с точки зрения использования топлива.

Два распространенных типа окислителей в промышленном сгорании. Большинство процессов используют воздух. Однако многие высокотемпературные процессы используют окислитель с более высокой концентрацией O₂, чем в воздухе (~21% по объему). Это называется O₂-усиленным сгоранием. Во многих случаях производительность нагревательного процесса может быть значительно увеличена даже при небольшом обогащении O₂.

В нескольких случаях воздушно-топливные горелки успешно работают с окислителем до ~30% O₂ с небольшими или без модификаций. При более высоких концентрациях O₂ пламя может стать нестабильным или температура пламени слишком высокой для горелки, рассчитанной на воздух/топливо. В высокотемпературных применениях, где выгоды высокой чистоты O₂ оправдывают затраты, используют высокочистые окислители (>90% O₂). Нагревательный процесс сильно интенсифицируется высокой чистотой O₂. Чистота окислителя существенно влияет на теплоперенос в системе сгорания.

Соотношение топливо/окислитель

Важный аспект системы сгорания — соотношение топлива к окислителю. Есть много способов его задания. Рассмотрим кратко. Глобальная реакция сгорания с CH₄ (метан) как топливом: CH₄ + (xO₂ + yN₂) = CO, CO₂, H₂, H₂O, N₂, NOₓ, O₂, слепые компоненты. Химическая стехиометрия реакции указывает соотношение O₂ к топливу для данной системы сгорания. Один метод квантования стехиометрии — учитывать только O₂ в окислителе, так как инертные компоненты не нужны для реакции. Для CH₄ как топлива глобальная упрощенная стехиометрическая реакция с воздухом: CH₄ + (2O₂ + 7,52N₂) = CO₂ + 2H₂O + 7,52N₂. Здесь воздух представлен как 2O₂ + 7,52N₂. Стехиометрическое соотношение = 2, так как 2 молекулы O₂ нужны для сгорания 1 молекулы CH₄.

Этот метод указания стехиометрического соотношения обычно используется для систем с O₂-обогащением, так как важно количество O₂, подаваемого в систему сгорания.

Реальные пламена обычно требуют излишек O₂ для полного сгорания топлива из-за неполного смешивания топлива и окислителя. Для топливного сгорания CH₄ стехиометрическое соотношение <2. Для бедного сгорания CH₄ — >2. Состав окислителя важен. Обычный способ задания состава окислителя — расчет молярной доли O₂ в окислителе.

Многие промышленные процессы сгорания работают с ~3% излишка O₂ сверх теоретически необходимого для идеального сгорания. Это часто количество излишка O₂ для минимизации выбросов несгоревших углеводородов и обеспечения полного сгорания. Причина — ограничения смешивания топлива и окислителя, особенно в непредварительно смешанных системах.

Слишком большой излишек O₂ означает потерю энергии на нагрев излишнего воздуха сгорания вместо зарядки печи. Желательно использовать только достаточно излишка O₂ для низких выбросов CO. Пример упрощенной глобальной реакции CH₄ с 3% излишка O₂: CH₄ + (2,06O₂ + 7,75N₂) = CO₂ + 2H₂O + 0,06O₂ + 7,75N₂.

Большинство промышленных пламеней турбулентны, что определяется турбулентным числом Рейнольдса (Re). Турбулентная характеристическая длина — длина Колмогорова, измеряющая масштаб диссипации. Длина Тейлора — отношение скорости деформации вязким силам. Различные длины характеризуют пламя. Пламя может быть: (i) сморщенным, (ii) сильно сморщенным, (iii) пламенелями в вихрях, (iv) распределенным реакционным фронтом. Безразмерное число Дамкёлера (Da) указывает тип значимого реакционного времени для конкретного типа реакции сгорания. Это отношение времени реакции к скорости течения.

Свойства сгорания

Основные свойства сгорания, используемые в промышленности: (i) состав продуктов сгорания, (ii) температура пламени, (iii) доступное тепло, (iv) объем дымовых газов после сгорания. Они важны для расчета теплопереноса от пламени и выхлопных газов к печи и зарядке.

Продукты сгорания

Ряд переменных существенно влияет на продукты сгорания. Важные: состав окислителя, соотношение смеси, температуры предварительного нагрева воздуха и топлива, состав топлива.

Состав окислителя — на примере сгорания CH₄: стехиометрическое сгорание CH₄ с воздухом глобальным уравнением: CH₄ + 2O₂ + 7,52N₂ = CO₂, 2H₂O, 7,52N₂, слепые компоненты. Видно: более 70% объема выхлопных газов — N₂. Стехиометрический O₂/CH₄ процесс: CH₄ + 2O₂ = CO₂, 2H₂O, слепые компоненты. Объем выхлопных газов резко снижается за счет исключения N₂. В общем, стехиометрический O₂-усиленный процесс: CH₄ + 2O₂ + xN₂ = CO₂ + 2H₂O + xN₂ + слепые компоненты.

Фактический состав продуктов сгорания зависит от состава окислителя, температуры газов и коэффициента эквивалентности. Коэффициент эквивалентности — отношение фактического соотношения топливо/воздух к стехиометрическому. Стехиометрическое сгорание — когда весь O₂ потреблен в реакции, молекулярного O₂ в продуктах нет.

Адиабатический процесс — без потерь тепла при реакции или в идеально изолированной камере. В реальном сгорании тепло теряется излучением пламени. Предсказанные основные продукты адиабатического равновесного сгорания CH₄ — функция состава окислителя.

Равновесный процесс — бесконечное время для химических реакций или продукты не ограничены химической кинетикой. В реальности реакции сгорания завершаются за доли секунды. По мере удаления N₂ из окислителя концентрация N₂ в продуктах снижается соответственно. Концентрации CO, CO₂ и H₂O растут. Для адиабатического процесса при высоких уровнях O₂ в окислителе значительное количество CO.

Радикальные продукты H, O, OH растут с O₂ в окислителе. NO (оксид азота) сначала растет, затем падает после ~60% O₂ в окислителе по мере удаления N₂. При чистом O₂ NO не образуется — нет N₂. Несгоревший топливо (H₂) и нереагировавший окислитель (O₂) также растут с концентрацией O₂ в окислителе. Рост радикалов, несгоревшего топлива (CO, H₂) и нереагировавшего O₂ — из-за химической диссоциации при высоких температурах.

Фактическая температура пламени ниже адиабатической равновесной из-за несовершенного сгорания и излучения пламени. Фактическая температура определяется тем, насколько хорошо пламя излучает тепло и насколько хорошо система сгорания (зарядка, огнеупорные стены) поглощает это излучение.

Высокосветосильное пламя обычно имеет более низкую температуру, чем слабосветосильное. Фактическая температура пламени также ниже, когда зарядка и стены более радиационно-абсорбирующие. Это происходит при более низких температурах зарядки и стен и более высоких коэффициентах поглощения.

По мере удаления газообразных продуктов сгорания из пламени они теряют еще больше тепла конвекцией и излучением в камере сгорания. Цель процесса сгорания — передать химическую энергию топлива зарядке печи или в некоторых случаев камере сгорания. Чем более термически эффективен процесс сгорания, тем больше тепла передается от продуктов сгорания к зарядке и камере. Следовательно, температура газа в выхлопном коллекторе желательно намного ниже температуры пламени в термически эффективном процессе нагрева. Состав продуктов сгорания меняется с температурой газа.

Соотношение смеси

Концентрации O₂ и N₂ в выхлопных газах строго убывают с коэффициентом эквивалентности. Концентрации H₂O и CO₂ достигают пика при стехиометрических условиях. Это важно, так как оба этих газа дают нелюминесцентное газовое излучение. Несгоревший топливо (H₂ и CO) растет с коэффициентом эквивалентности. Это отражается в доступном тепла — не все топливо сгорает полностью.

Температура предварительного нагрева воздуха и топлива

Во многих промышленных процессах тепло рекуперируют для повышения термического КПД и снижения эксплуатационных затрат. Рекуперированное тепло обычно предварительно нагревают подаваемый воздух сгорания и иногда топливо. Предварительный нагрев воздуха или топлива влияет на состав продуктов сгорания. CO₂, H₂O, N₂ все уменьшаются в выхлопе с предварительным нагревом воздуха из-за химической диссоциации. Из соображений безопасности и риска копчения топливопроводов более высокие температуры предварительного нагрева топлива не практичны или не рекомендуются при большинстве условий. Обычно наблюдается лишь незначительное снижение концентраций основных компонентов и незначительный рост слепых компонентов. Это потому, что масса топлива относительно мала по сравнению с массой воздуха сгорания. Предварительный нагрев воздуха имеет гораздо более значимое влияние, чем нагрев топлива при заданной температуре предварительного нагрева.

Состав топлива

Продукты сгорания зависят от состава топлива. Прогнозируемые составы продуктов сгорания для разных топлив при различных условиях можно рассчитать. Наиболее частые газовые топлива: H₂, CH₄, C₃H₈ (пропан), смеси H₂ и CH₄. Они репрезентативны для топлив, обычно используемых в промышленности. По светосильности: H₂ дает нелюминесцентные пламена, CH₄ — слабосветосильные, C₃H₈ — более светосильные.

Температура пламени

Температура пламени — критическая переменная для определения теплопереноса от пламени к зарядке печи. Адиабатическая температура пламени зависит от состава окислителя и топлива, соотношения смеси, температур предварительного нагрева воздуха и топлива. Реальные температуры пламени не так высоки, как адиабатические, но тренды сопоставимы и репрезентативны для реальных условий.

Состав окислителя и топлива — температура пламени значительно возрастает при замене воздуха на O₂, так как N₂ действует как разбавитель, снижая температуру. Температура пламени обычно варьируется для воздуха и чистого O₂. Резкий рост температуры пламени от воздуха до ~60% O₂ в окислителе. При более высоких концентрациях O₂ рост замедляется. Состав топлива сильно влияет на температуру пламени. В смеси H₂ и CH₄ температура растет с увеличением доли H₂. Важно: рост нелинеен, более быстрый при высоких уровнях H₂. Из-за высокой стоимости H₂ по сравнению с CH₄ и C₃H₈ его мало используют в промышленности. Однако высоководородные топлива часто используются в углеводородных применениях — побочные продукты химического производства, дешевле покупного H₂ и выгоднее других закупленных топлив.

Соотношение смеси — пиковые температуры пламени при стехиометрических условиях. Чем ниже концентрация O₂ в окислителе, тем сильнее температура пламени снижается при нестехиометрических условиях (богатое топливом или бедное топливом). Это из-за более высокой концентрации N₂, поглощающей тепло. При стехиометрии ровно достаточно окислителя для полного сгорания всего топлива. Любой дополнительный окислитель поглощает чувствительную энергию пламени и снижает температуру. В большинстве реальных пламеней пиковая температура часто при слегка бедных условиях (из-за несовершенного смешивания, нужно чуть больше O₂). Почти все промышленные применения работают при бедных условиях для низких выбросов CO. Следовательно, в зависимости от конструкции горелки, температура пламени может быть близка к пику, что желательно для максимизации теплопереноса. Проблема при максимизации температуры пламени — выбросы NOₓ также максимизируются, так как NOₓ растет примерно экспоненциально с температурой газа. Это привело к множеству конструкторских концепций снижения пиковой температуры пламени для минимизации NOₓ. Это также влияет на теплоперенос от пламени.

Температура предварительного нагрева окислителя и топлива — адиабатическая температура пламени варьируется как функция температуры предварительного нагрева окислителя для пламеней воздух/CH₄ и O₂/CH₄. Рост температуры пламени относительно незначителен для пламени O₂/CH₄, так как увеличение чувствительного тепла O₂ — лишь доля химической энергии топлива. Для пламеней воздух/CH₄ предварительный нагрев воздуха имеет более драматичное влияние, так как рост чувствительного тепла очень значителен из-за большой массы воздуха в реакции. Адиабатическая температура пламени быстро растет для пламеней воздух/топливо во многих видах топлива.

Доступное тепло

Доступное тепло в системе сгорания печи важно для определения общей термической эффективности и фактора при расчете теплопереноса. Менее эффективно пытаться максимизировать теплоперенос в системе с низким доступным теплом. Доступное тепло определяется как высшая теплота сгорания топлива минус энергия, уносимая горячими выхлопными газами из процесса сгорания.

Валовое доступное тепло (ГДТ) в печи: ГДТ = калорийность топлива + чувствительное тепло реагентов – тепло, уносимое ПС, покидающими печь. ГДТ представляет тепло, доступное на критической процессной температуре. Оно не представляет тепло, доступное для выполнения конкретной функции из-за различных потерь. Может использоваться как критерий сравнения разных топливо-сгорания систем.

В печи есть тепловые потери, управляемые критической процессной температурой, толщиной огнеупорной выстилки и теплопроводностью огнеупора. Чистое доступное тепло (ЧДТ): ЧДТ = ГДТ – тепловые потери. ЧДТ можно использовать как критерий сравнения эффективности плавки/плавления/нагрева разных печей.

Тепловые потери через отверстия печи, через стены или инфильтрацией воздуха не учитываются в расчете теоретического доступного тепла, так как зависят от процесса. Теоретическое доступное тепло пропорционально энергии, фактически поглощаемой зарядкой печи в реальном процессе, что напрямую связано с термической эффективностью системы. Поэтому теоретическое доступное тепло обычно используют для демонстрации трендов термической эффективности как функций температуры выхлопных газов, состава окислителя и топлива, соотношения смеси, температур предварительного нагрева воздуха и топлива.

Доступное тепло варьируется как функция температуры выхлопных газов и быстро убывает с ее ростом, относительно не завися от состава топлива. Для максимизации термической эффективности желательно минимизировать температуру выхлопных газов. Обычно делают это максимизацией теплопереноса от выхлопных газов к зарядке (и стенам печи) и рекуперацией части тепла выхлопных газов предварительным нагревом окислителя и/или топлива.

По мере роста температуры выхлопных газов больше энергии уходит с выхлопом, меньше остается в системе. Доступное тепло падает до нуля при адиабатической равновесной температуре пламени, где тепло не теряется газами. Для системы CH₄/O₂ даже при температуре выхлопа ~2000 °Ц доступное тепло все еще 57%. Обычно неэкономично использовать системы CH₄/воздух для высокотемпературных процессов плавки и нагрева. При температуре выхлопа ~1300 °Ц доступное тепло для CH₄/воздух — лишь чуть более 30%. Рекуперация тепла в виде предварительно нагрева воздуха обычно применяется для высокотемпературных процессов для повышения термического КПД печи.

По мере роста температуры выхлопных газов доступное тепло падает, так как больше энергии уходит с выхлопом. Наблюдается начальный быстрый рост доступного тепла при увеличении концентрации O₂ в окислителе от 21% в воздухе. Это одна из причин популярности O₂-обогащения — приращение эффективности очень значительно. Термическая эффективность системы CH₄/воздух удваивается при предварительном нагреве воздуха до ~1100 °Ц.

Для системы CH₄/O₂ рост эффективности при предварительном нагреве O₂ гораздо менее драматичен. Это потому, что начальная эффективность без предварительного нагрева уже 70%, а масса O₂ не так значима в реакции сгорания по сравнению с массой воздуха в системе топливо/воздух. Также есть опасения безопасности при подаче горячего O₂ через трубопроводы, рекуператоры и горелки. Экономию топлива для данной технологии можно рассчитать по кривым доступного тепла.

Объем выхлопных газов

Расход газов через камеру сгорания печи пропорционален конвективному теплопереносу к зарядке. Несколько факторов влияют на расход. Один — температура газа: более горячие газы имеют больший фактический расход (м³/ч) из-за термического расширения. Предварительный нагрев топлива или окислителя, повышающий температуру пламени, дает более высокие фактические расходы. Но расход газов одинаков при приведении к нормальным условиям (НУ).

Другой фактор со сильным влиянием на расход газов — состав окислителя. O₂-усиленное сгорание по сути удаляет N₂ из окислителя. Главное изменение по сравнению с воздушно-топливным сгоранием — снижение объема дымовых газов. На единицу объема топлива получают 3 нормированных объема газа для O₂/топливо сгорания против 10,5 для воздух/топливо. Это снижение может иметь как положительные, так и отрицательные эффекты, но эффект на конвективный теплоперенос — снижение средней скорости газа в камере печи и результирующее снижение конвективного теплопереноса к зарядке.

Транспортные свойства выхлопных газов

Транспортные свойства газообразных компонентов в камере печи важны для определения теплопереноса и гидродинамики. Свойства сильно зависят от температуры и газового состава. Важные газовые свойства для теплопереноса в промышленных камерах печей варьируются как функции состава топлива и окислителя, соотношения смеси, температур предварительного нагрева воздуха. Вариация как функция температуры предварительного нагрева топлива имеет минимальный эффект. Газовый состав и температура нужны для расчета нелюминесцентного газового излучения. Транспортные свойства газа нужны для расчета коэффициента конвективного теплопереноса, часто в виде числа Нуссельта (Nu). Nu рассчитывают из числа Прандтля (Pr) и числа Рейнольдса (Re). Коэффициент конвективного теплопереноса «h» затем вычисляют из Nu = hd/k, где d — характеристический размер потоковой системы, k — теплопроводность жидкости. Газовые свойства для расчета Nu, Pr, Re приведены ниже.

Плотность

Плотность газа используется для расчета числа Re, обычно нужного для вычисления коэффициента конвективного теплопереноса. Плотность также для расчета средней скорости газа через камеру печи, тоже нужной для коэффициента конвекции. Плотность газа обратно пропорциональна температуре газа: при росте температуры плотность падает. Снижение плотности примерно пропорционально обратной абсолютной температуре. Плотность также быстро падает с ростом содержания O₂ в окислителе — из-за более высоких температур пламени. Нижняя плотность означает более низкое Re и следовательно сниженный конвективный теплоперенос, если остальные переменные неизменны. Однако массовый расход газов также снижается. Следовательно, средняя скорость газа не меняется значительно в результате совокупного эффекта более низкой плотности и более низкого массового расхода, так что влияние на конвекцию за счет скорости газа минимально.

Плотность газа достигает минимума при промежуточных коэффициентах эквивалентности. Это снова атрибутируется адиабатической равновесной температуре пламени. Плотность газа почти линейно падает с ростом температуры предварительного нагрева воздуха, что коррелирует инверсно с кривыми температуры пламени. Плотность газа не падает линейно как функция газовой смеси, как интуитивно ожидается. Опять соответствует инверсно адиабатическим температурам пламени.

Удельная теплоемкость

Удельная теплоемкость газа — еще одно транспортное свойство, влияющее на конвективный теплоперенос в системе печи. Используется для расчета числа Pr, часто используемого для коэффициента конвективного теплопереноса. Нелинейный рост удельной теплоемкости газа с температурой выхлопных продуктов. Рост быстрее при более высоких температурах. Удельная теплоемкость выхлопных газов почти линейно растет с процентом O₂ в окислителе. При прочих равных это улучшает конвективный теплоперенос от продуктов сгорания к зарядке.

Однако существует гораздо более сложная связь между удельной теплоемкостью и коэффициентом эквивалентности, включая сильную зависимость от топлива. Все топлива показывают начальный рост удельной теплоемкости с ростом коэффициента эквивалентности, достигая локального максимума при стехиометрических условиях. За стехиометрией удельная теплоемкость падает, плато, и снова растет. Для CH₄ удельная теплоемкость очень быстро растет при высоких коэффициентах эквивалентности. Хотя связь сложна, реальность: большинство промышленных процессов работают при слегка бедных условиях, где связь между коэффициентом эквивалентности и удельной теплоемкостью сильна но более линейна. Для смесей H₂/CH₄ удельная теплоемкость быстро растет при высоком содержании H₂. Температура пламени показывает очень похожую связь с содержанием H₂ в смеси.

Теплопроводность

Как и удельная теплоемкость, газовая теплопроводность влияет на число Pr, которое в свою очередь влияет на коэффициент конвективного теплопереноса. Здесь обратная связь: при росте теплопроводности (падении) число Pr падает (растет) вместе с коэффициентом конвекции, при неизменных остальных переменных. Теплопроводность газа примерно зависит от квадратного корня из абсолютной температуры. Аналогичный нелинейный рост теплопроводности с температурой газа как для удельной теплоемкости.

Теплопроводность быстро растет с ростом содержания O₂ в окислителе. Связь почти линейна, хотя рост быстрее при низких содержаниях O₂ по сравнению с высокими. Существует сложная связь между транспортным свойством и коэффициентом эквивалентности. Локальный максимум при стехиометрических условиях. Для H₂ локальный максимум также общий максимум для широкого диапазона коэффициентов эквивалентности. Для CH₄ быстрый рост теплопроводности при очень богатых условиях (высокие коэффициенты эквивалентности), с превышением локального максимума при стехиометрии. Аналогичное, но менее драматичное явление для C₃H₈. Хотя большинство процессов работают при слегка бедных условиях, на бедной стороне стехиометрии все еще наблюдается быстрый рост теплопроводности.

Гораздо более простая связь между теплопроводностью и температурой предварительного нагрева воздуха. Теплопроводность растет чуть быстрее линейно с ростом температуры предварительного нагрева. Также теплопроводность растет намного быстрее с ростом содержания H₂ в смеси H₂/CH₄.

Вязкость

Абсолютная или динамическая вязкость — мера диффузии импульса. Газовая вязкость имеет похожую связь с теплопроводностью. Вязкость важна для расчета и Pr, и Re, но в противоположных направлениях. При росте вязкости (падении) число Pr растет (падает), а число Re падает (растет), при неизменных остальных переменных. Кинематическая вязкость связана с динамической.

Почти линейный рост вязкости газа с температурой выхлопных продуктов. Вязкость растет с содержанием O₂ в окислителе, аналогично адиабатической температуре пламени. Вязкость достигает пика при коэффициенте эквивалентности 1,0 (стехиометрия) и падает при более богатых или бедных смесях. Вязкость также растет с температурой предварительного нагрева воздуха, сравнимо с температурой пламени. Вязкость растет с содержанием H₂ в смеси H₂/CH₄. Рост вязкости быстрее при высоком содержании H₂.

Число Прандтля

Число Pr часто используется для расчета коэффициента конвективного теплопереноса. Компоненты Pr: удельная теплоемкость, вязкость, теплопроводность. Комбинация этих переменных, формирующая Pr, меняется как функции состава топлива и окислителя, соотношения смеси, температуры предварительного нагрева воздуха. Однако мало изменений Pr как функции температуры предварительного нагрева топлива. Число Pr убывает как функция температуры, но неравномерно. Сначала умеренно быстро, потом медленнее, затем быстро при высоких температурах.

Высоко нелинейная связь между Pr и составом окислителя. Для CH₄ и C₃H₈ Pr быстро падает сначала, затем выходит на плато при высоких содержаниях O₂. Для H₂ Pr имеет минимум при ~50% O₂. Также высоко нелинейная связь между Pr и коэффициентом эквивалентности. Большинство топлив показывают локальные максимум и минимум. Pr почти линейно падает с температурой предварительного нагрева воздуха. Pr падает с ростом содержания H₂ в смеси H₂/CH₄, и быстро падает при высоком H₂.

Число Льюиса

Число Льюиса (Le) — отношение температуродиффузии к молекулярной (массовой) диффузии. Le важно для теплопереноса в системах сгорания. В общем, для Le > 1 есть некоторые улучшения конвективного теплопереноса за счет химических реакций рекомбинации. Le = 1 для температур ниже 1200 °Ц (зависит от топлива), затем довольно быстро растет при более высоких температурах. Le > 1 для всех составов окислителя при адиабатических равновесных условиях, что соответствует максимально возможной температуре пламени для этих условий. Значения Le пика при промежуточных составах окислителя и падают при более высоких O₂. Драматический пик Le при стехиометрических условиях, Le падает ниже 1,0 при более высоких коэффициентах эквивалентности. Le почти линейно растет с температурой предварительного нагрева воздуха при адиабатических равновесных условиях. Растет быстрее с ростом H₂ в смеси H₂/CH₄.

Теплоперенос в печи

Факторы, влияющие на теплоперенос в печи к зарядке:

Тепловой поток внутри зарядки печи

В электрически нагреваемой зарядке, где зарядка используется как резистор в цепи или индукционный нагрев, линии потока концентрируются непосредственно под поверхностью. В топливном нагреве тепло входит в зарядку через поверхность (излучением или конвекцией) и диффундирует по зарядке проводимостью. Это требует разности температур внутри зарядки. Стационарные тепловые потоки через плоскую зарядку. Для не плоской зарядки линии теплового потока редко параллельны и редко стационарны. В нестационарном тепловом потоке определение температуры в данный момент и точке зарядки требует метода конечных элементов. Повышение температуры печи (высокий «термический напор») или «высокоскоростной нагрев» часто дают неравномерный нагрев, требующий более длительной выдержки, иногда сводящего на нет цель высокоскоростного нагрева.

Теплопроводность и диффузия

Теплопроводности различных металлов сильно варьируют, что напрямую влияет на способность тепла течь через них или диффундировать, и поэтому очень сильно влияет на температурное распределение или равномерность в твердых телах. Фактор, влияющий на температурное распределение — температуродиффузийность (термическая диффузийность). Она = теплопроводность / (удельная теплоемкость × плотность). В этом уравнении числитель — мера скорости тепла в единичный объем материала, знаменатель — мера количества тепла, поглощаемого этим единичным объемом. При более высоком отношении числителя к знаменателю тепло быстрее проводится, распределяется и поглощается.

Теплопроводности и температуродиффузийности твердых тел сильно варьируют с температурой. Удельные теплоемкости и плотности мало меняются, за исключением сталей в точке фазового перехода. Теплопроводности чистых металлов падают с ростом температуры, но теплопроводности сплавов обычно растут с температурой.

Временной лаг (Lag time)

Эффект теплопроводности на тепловой поток и внутреннее температурное распределение показан на рис. 1 для трех одинаковых по размеру плит ферросплавов, нагреваемых с двух сторон. Поверхностные температуры во всех трех случаях быстро растут, но внутренние температуры растут дифференциально из-за более низких температуродиффузийностей. Плиты достигают равновесия с температурой печи в разное время.

Рис. 1 Влияние теплопроводности на тепловой поток и внутреннее температурное распределение

Твердые материалы, нагреваемые в промышленных печах, не обязательно непрерывны. Часто зарядка состоит из ленточных рулонов или отдельных кусков, сложенных в кучи или рядом. В таких случаях тепло может течь от одного куска к соседнему только через небольшие контактные точки на поверхностях или через газозаполненные промежутки, теплопроводность которых очень мала. Стек из плоских плит — пример очень низкой проводимости. Даже очень маленькие зазоры создают большое тепловое сопротивление по сравнению с твердым металлом. Стек нельзя рассматривать как сплошное тело, так как тонкие воздушные прослойки — изоляторы. Различные зазоры в стеке дают плохую неравномерность температур.

Быстрый тепловой поток в каждом куске набивной зарядки достигается только циркуляцией горячих газов через набитый материал конвекцией и газовым излучением. Эти газовые массы должны постоянно заменяться новыми горячими газами, так как у них малая масса, малая удельная теплоемкость и тонкая толщина газового пучка — они быстро остывают, не передав много тепла загрузке. Для равномерного нагрева и точной воспроизводимости набивку кусков материалов следует избегать.

Теплоперенос к поверхности зарядки печи

В практике печей теплоперенос осуществляется тремя режимами: (i) проводимость, (ii) конвекция, (iii) излучение. Есть основы теплопереноса, полезные конструкторам и операторам промышленных печей. Большинство промышленных печей, муфелей, гоновых печей, сжигательных установок, котлов и нагревателей используют сгорание топлива как источник тепла. Сгорание в промышленных печах происходит за счет быстрых и крупных химических кинетик реакций, превращая химическую энергию в чувствительное (термическое) тепло. Увеличение площади смешивания топлива и окислителя (обычно воздуха) или повышение температуры реагентов может ускорить реакции сгорания, обычно повышая температуру источника тепла. Реакции окисления топлива экзотермичны, могут переходить в лавинообразный режим (термическая энергия выделяется быстрее, чем может быть унесена теплопереносом). Эта положительная обратная связь может вызвать взрыв.

Пламя — тонкая область быстрой экзотермической химической реакции. Пример — пламя бунзеновской горелки. В бунзеновской горелке тщательно предварительно смешанный ламинарный поток газа-топлива и воздуха поджигается внешним источником тепла, образуется конусная зона реакции (фронт пламени). Турбулентность увеличивает толщину и площадь поверхности зоны реакции, повышая скорость горения. Ламинарная скорость горения для природного газа ~18 м/мин, турбулентная — в 2–10 раз выше. В ламинарном пламени термическое расширение от химического выделения тепла может сочетаться с повышением реакционной способности из-за более высоких температур, ускоряя до турбулентного пламени. За исключением длинных светосильных пламен, большинство промышленных пламеней турбулентны.

Проводимый теплоперенос

Проводимый теплоперенос — молекула-к-молекуле передача вибрационной энергии, обычно в твердых телах. Теплоперенос только проводимостью к заряженной нагрузке редок в промышленных печах. Возникает, когда холодный металл кладут на горячий дно. Также происходит на короткое время, когда кусок металла погружают в солевую ванну или ванну жидкого металла.

Если два куска твердого материала в тесном контакте (не разделены слоем шкалы, воздуха или другой жидкости), контактирующие поверхности мгновенно принимают одинаковую температуру между температурами контактирующих тел. Температурные градиенты внутри контактирующих материалов обратно пропорциональны их проводимостям (рис. 2).

Рис. 2 Влияние проводимости и времени на температурные градиенты в двух твердых телах разных температур и проводимостей, в тесном контакте

Тепловой поток (скорость тепла на единицу площади) зависит не только от температур двух твердых тел, но и от их температуродиффузийностей и конфигураций контактирующих твердых тел. На практике сравнительно мало тепла передается к (или отнимается от) зарядки проводимостью, за исключением течения тепла от бillette к водяноохлаждаемым конькам.

Когда кусок холодного металла внезапно погружают в жидкую соль, свинец, цинк или другой жидкий металл, жидкость застывает на поверхности холодного металла, и тепло передается только проводимостью. Через очень короткое время твердая оболочка или застывший слой переплавляется. С этого момента тепло передается проводимостью и конвекцией.

Конвективный теплоперенос

Конвективный теплоперенос — сочетание проводимости и движения жидкости, физически переносящей нагретые (или охлажденные) молекулы на другую поверхность. Если поток газообразной жидкости течет параллельно поверхности твердого тела, вибрирующие молекулы потока передают некоторое термическое тепло к или от твердой поверхности.

«Пограничный слой» застарелой, вязкой, плохо проводящей жидкости склонен прилипать к твердой поверхности и действует как изолирующее одеяло, снижая тепловой поток. Тепло проходит через застарелые слои проводимостью. Если скорость основного потока жидкости увеличена, она смывает изолирующий пограничный слой тоньше, повышая коэффициент конвективного теплопереноса. Проводимость пограничного слоя (пленочный коэффициент) функция массовой скорости (импульса, числа Re).

В печах, работающих ниже 600 °Ц, конвективный теплоперенос имеет большое значение, так как излучение слабо. Современные высокоскоростные (высокоимпульсные) горелки дают высокие коэффициенты конвективного теплопереноса. Высокие скорости часто дают более равномерное температурное распределение вокруг однокусковой зарядки или среди многоштучных зарядок, так как больший массовый расход переносит дополнительное чувствительное тепло при более умеренных температурах. При низких температурах печи высокие скорости полного теплопереноса достижимы только высокими скоростями газа, так как теплоперенос излучением при ~550 °Ц менее одной десятой от того, что при ~1200 °Ц. Высокоскоростные горелки широко используются для заполнения зон, куда излучение не доходит из-за проблем с тенями.

Излучательный теплоперенос

Излучение между твердыми телами

Твердые тела излучают тепло даже при низких температурах. Чистый излучательный тепловой поток, реально переданный к приемнику, — разность между излучательным теплом, полученным от источника, и излучательным теплом, переизлучаемым приемником к источнику. Чистый излучательный тепловой поток между горячим телом (источник тепла) и более холодным телом (приемник тепла) рассчитывается уравнениями Стефана-Больцмана.

Излучательная способность и поглощающая способность материалов — важные свойства для излучения между твердыми телами. Излучательная способность — излучательное тепло, излучаемое (радиационное) поверхностью, выраженное как десятичная доля максимально возможного (абсолютно черного тела) теплового излучения за единицу времени и с единицы площади. Излучательность — видимая излучательная способность того же материала для единицы видимой площади, которая на самом деле намного больше из-за шероховатостей, канавок и т.д. Поглощающая способность — излучательное тепло, поглощаемое поверхностью за единицу времени и единицу площади, выраженное как десятичная доля максимально возможного (абсолютно черного тела) теплового поглощения.

Инженеры используют значение излучательной способности 0,85 для конвенциональных печей с огнеупорной выстилкой. Однако температура, состояние поверхности и сплав могут давать существенные различия. Например, если нержавеющая лента нагревается менее чем за три минуты в гоновой печи, излучательная способность может не меняться, хотя температура растет от окружающей до 1100 °Ц. Измеряя температуру поверхности ленты и температуру печи, можно уточнить расчеты нагрева, предполагая, что окисление не изменило излучательную или поглощающую способность в цикле нагрева.

Излучение от прозрачных пламеней и газов

Два источника излучения от продуктов сгорания к твердым телам: (i) от прозрачного пламени и газов, (ii) от микронных сажевых частиц в светосильном пламени. Излучение от прозрачных газов не следует закону Стефана-Больцмана (четвертой степени). Единственные прозрачные газы, излучающие или поглощающие излучение заметно — триатомные газы (3+ атома в молекуле): CO₂, H₂O, SO₂. Исключение — двухатомный CO, излучающий меньше. Другие двухатомные газы: O₂, N₂ (и их смесь — воздух), H₂ — имеют пренебрежимо малую излучательную способность.

Газовое излучение не следует закону четвертой степени, так как газы не излучают во всех длинах волн, как твердые тела (серые тела). Каждый газ излучает только в нескольких узких полосах. Излучение от прозрачных газов зависит от их температуры, парциального давления или процентного объема каждого триатомного газа и толщины их газового слоя.

Температура излучающего газа понижается в направлении движения газа. Для поддержания активного газового излучения газ должен постоянно заменяться новым горячим газом, что также улучшает конвекцию. Более высокие скорости подачи газа снижают падение температуры вдоль газового пути. Этот фактор критичен для поддержания хорошей температурной равномерности в высокотемпературных промышленных печах.

Печи часто проектируют на базе излучения огнеупора к зарядке, обычно с разумными результатами, но некоторые ситуации не объясняются одним излучением огнеупора. Прямое излучение от печных газов обычно доставляет 62% (±2%) тепла к зарядке, огнеупоры передают оставшиеся 38% (±2%). Газовые температуры, необходимые для передачи тепла к огнеупорам и зарядке, обычно значительно выше принятых предположений.

Излучение от светосильных пламеней

Если топливное-богатое участок воздушно-топливной смеси подвергается теплу от более горячей части пламени, несгоревшие молекулы топлива полимеризируют или термически трескаются, образуя тяжелые твердые молекулы. Эти сажевые частицы светятся при нагреве, давая светосильность, повышающую общую излучательную способность пламени.

Если топливо и воздух не тщательно смешиваются сразу после выхода из сопла горелки, их можно нагреть до температуры трещинования углеводородов (полимеризации). Дальнейший нагрев доводит полученные частицы до температуры свечения. При смешении с O₂ они сгорают. По мере продвижения пламени образование новых сажевых частиц может уравновесить скорость сгорания ранее образованных. Дальше по длине пламени образование сажи угасает, и вся оставшаяся сажа сгорает. Эта серия процессов сгорания с задержанным смешением должна завершиться до входа газов сгорания в дымоход. Если пламя все еще светосильно на входе в дымоход, в выходе трубы может появиться дым. Дым — сажа, охлажденная (обмороженная) ниже минимальной температуры воспламенения перед смешением с достаточным воздухом.

Дополнительная излучательная способность светосильных пламеней заставляет их естественным образом быстрее остывать, чем прозрачные пламена. Это выполняет их назначение — передачу тепла. Охлаждающее явление может нивелировать часть выгоды от более высокой светосильности (эффективной излучательной способности).

Светосильные пламена часто выбирали, потому что дополнительная длина пламеней с задержанным смешением может дать более равномерное температурное распределение в больших камерах сгорания. По мере оснащения промышленных печей очень высоким предварительным нагревом воздуха сгорания или окси-топливным сгоранием, светосильные пламена могут обеспечить увеличение скоростей тепловыделения.

Топлива с высоким соотношением C/H₂ (большинство масел и твердых топлив) склонны гореть светосильными пламенами. Топлива с низким C/H₂ (преимущественно газовые) можно заставить гореть светосильными пламенами: (i) задержанным смешением, подачей параллельно равных по низкой скорости потоков воздуха и газа, (ii) высоким давлением для «выстрела» высокоскоростным ядром топлива через медленнее движущийся воздух, так что основная масса воздуха не может «догнать» топливо до нагрева (и полимеризации) тонким «манжетным» пламенным кольцом между двумя потоками.

Пламена от твердого топлива могут содержать частицы золы, которые светятся, добавляя светосильность. С жидкими и газовыми топливами светосильность пламени обычно идет от светящегося C и сажевых частиц. Эффективная излучательная способность пламени, по измерениям, обычно между излучательной способностью ПС газов и максимумом 0,95, в зависимости от общей площади поверхности твердых частиц. Обычно теплоперенос от светосильного пламени больше, чем от прозрачного пламени той же температуры. Разница в скорости теплопереноса довольно заметна в печах для перегрева стали и металлов. Разница становится более выраженной при высоких температурах, где излучательная способность каждой триатомной молекулы газа растет, но выгода частично компенсируется снижением плотности излучающих молекул на единицу объема.

В другом явлении полосы газового излучения сохраняют свои длины волн независимо от температуры. При более высоких температурах область высокой интенсивности твердотельного излучения (светящиеся сажа и C частицы) смещается к более коротким длинам волн (от полос газа). В высокотемпературных областях излучение от прозрачных газов не растет так быстро, как излучение от светосильных пламеней.

Излучение пламени — функция многих переменных: соотношения C/H₂ топлива, соотношения воздух/топливо, температур воздуха и топлива, смешения и распыления топлива, толщины пламени. Некоторые из них меняются с расстоянием от горелки. Топлива с более высоким C/H₂ (масла) склонны давать больше сажи, поэтому обычно создают светосильные пламена, хотя голубые пламена возможны с легкими маслами. Многие газы имеют низкое C/H₂ и склонны гореть прозрачными или голубыми пламенями. Трудно сжечь дегть без светосильности. Так же трудно получить видимое пламя с доменным газом или H₂.

При сравнении светосильных и нелюминесцентных пламен важно помнить: (i) сажовое излучение (светосильное) обычно заканчивается там, где заканчивается видимое пламя, так как сажа чаще всего сгорает на внешней поверхности или коже пламени, где она встречает вторичный или третичный воздух, (ii) газовое излучение (нелюминесцентное) идет как внутри, так и вне видимой оболочки пламени, значительно увеличивая равномерность и охват, хотя газое излучение внутри пламени частично затеноно окружающими сажевыми частицами или триатомными газами, а газое излучение вне пламени может исходить из более холодных газов.

Эффект излишка топлива на излучение пламени значительно больше эффекта меньшего излишка воздуха. Заслуги и недостатки прозрачных пламеней против длинных светосильных дискутируют годами. Модифицированные горелки и схемы управления помогают использовать лучшее из обоих. Проблема, общая для нескольких типов горелок — изменение характеристики пламени при снижении входа горелки. Проблемы некоторых прозрачных горелок: (i) смещение горба в температурном профиле ближе к стене горелки при снижении скорости горения, (ii) на низких входах температура круче падает на больших расстояниях от стены горелки (например, профиль температуры горелки на 50% от номинальной мощности или ниже имеет пиковую температуру (макс. тепловыделение) на стене горелки или близко к ней, падая дальше. На более низких входах падение температуры ухудшается. На более высоких входах температура стены горелки снижается, когда пиковая температура уходит от нее. В некоторых печах перегрева стали на макс. входе разница температур между стеной горелки и пиком может быть 150 °Ц.

Проблема пика температуры на дальней стене при высоком входе усугубляется за счет выброса печных газов в основание пламени, задерживающего смешивание топлива с O₂. Если вход горелки увеличен, выброс продуктов полного сгорания растет экспоненциально. Проблем много. При боковом горении печи на низком входе пиковая температура на стене горелки, но на максимальном входе пиковая температура может быть в центре печи или на противоположной стене. Таким образом, расположение единственного датчика температуры никогда неверно. Если датчик в стене горелки, на низких входах пиковая температура прижимается к стене, загоняя горелку на низкий вход, остальная ширина печи получает недопустимый вход. На высоких входах датчик в стене горелки холоден, пока температура вдали от стены очень высока, возможно формируя жидкую шкалу на поверхностях зарядки в центре и/или дальней стене. Для устранения неопытные операторы могут снизить уставку, уменьшая нагревательную способность печи.

Другой пример: нижняя зона печи перегрева стали при продольном горении против потока загрузки с датчиком управления 3–6 м от (концевой) стены горелки. На низких входах при уставке зоны 1300 °Ц стена горелки может подняться выше 1370 °Ц. При этой температуре шкала плавит и капает на дно нижней зоны, где позже может затвердеть в один большой кусок. На высоких входах пиковая температура может уйти за датчик нижней зоны, возможно плавя шкалу на некотором расстоятии к концу загрузки. Опять операторы снижают уставки, уменьшая мощность печи.

Управление описанными проблемами требует дополнительного датчика температуры в каждой зоне и средства для изменения характеристики смешивания горелки в ответ на измерения температуры. Горелки с регулируемым закрутом (вихрем) можно настроить для предотвращения большей части проблем, особенно в сочетании с низкоуглеродным прямым газовым или воздушным струйным потоком через центр горелки. Такая струя обычно рассчитана на 5% от максимального расхода газа или воздуха.

Длинные светосильные пламена, будь то ламинарного или турбулентного типа, имеют гораздо менее выраженный температурный горб и не меняют длину так быстро при снижении входа. Они могут быть отличными «выравнивателями», обеспечивая лучшую температурную равномерность.

Эта информация о сажовом излучении в пламени и триатомном газовом излучении известна уже некоторое время, но недавние разработки могут менять картину. Использование окси-топлива (100% O₂), оба повышают турбулентность пламени. Главный выигрыш окси-топливного сгорания — более интенсивный излучательный теплоперенос из-за более высокой концентрации триатомных газов за счет исключения N₂ из ПС. Это также уменьшает массу газа, уносящего тепло в дымоход (снижая дымовые потери). В другом развитии некоторые бедные предварительно смешанные газовые пламена (для низких выбросов NOₓ) создают повсеместное пламенное поле (казалось бы прозрачное) через большую часть камеры.