Способ отопления нагревательных печей

 

Изобретение относится к черной металлургии , в частности к способам отопления нагревательных печей непрерывного и периодического действия, и может быть использовано во всех отраслях народного хозяйства , где требуется высокоэффективное сжигание многокомпонентного топлива. Целью изобретения является повышение эффективности работы печей путем обеспечения максимальной плотности потока теплового излучения продуктов сгорания и снижения концентрации оксидов азота. Способ включает подачу коксового доменного и природного газов и сжигание их в рабочем пространстве печи с изменением расходов газов в смеси. При этом коксовый и доменный газы подают в соотношении

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (!9) (II) (51)5 F 27 D 3/02

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4835147/02 (22) 05.03.90 (46) 07.03.92, Бюл. М 9 (71) Сибирский металлургический институт им.Серго Орджоникидзе (72) Ю.Е.Михайленко, Н.И.Трофимов, Е.А.Колотов и В.М.Павловец (53) 621.783 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

М 685901, кл. F 27 D 19/00, 1978.

Авторское свидетельство СССР

М 968572, кл. F 27 0 3/02, 1981. (54) СПОСОБ ОТОПЛЕНИЯ НАГРЕВАТЕЛЬНЫХ ПЕЧЕЙ (57) Изобретение относится к черной металлургии, в частности к способам отопления нагревательных печей непрерывного и периодического действия, и может быть исИзобретение относится к черной металлургии, в частности, к способам отопления нагревательных печей непрерывного и периодического действия,и может быть использовано во всех отраслях народного хозяйства, где требуется высокоэффективное сжигание многокомпонентного топлива при обеспечении максимальной плотности потока теплового излучений продуктов сгорания и низкой концентрации оксидов азота.

Известен способ отопления нагревательных печей, использующих доменный и коксовый газы, включающий стабилизацию их давления в трубопроводе смесью природного газа с техническим азотом, причем коэффициент соотношения между расходами технического и природного газов измепользовано во всех отраслях народного хозяйства, где требуется высокоэффективное сжигание многокомпонентного топлива, Целью изобретения является повышение эффективности работы печей путем обеспечения максимальной плотности потока теплового излучения продуктов сгорания и снижения концентрации оксидов азота.

Способ включает подачу коксового доменного и природного газов и сжигание их в рабочем пространстве печи с изменением расходов газов в смеси. При этом коксовый и доменный газы подают в соотношении (0,01 — 1,7);1, а расход природного газа определяют в соответствии с выражением

Скд=1,7(1 — X), где Скд — соотношение объемных долей коксового и доменного газов в смеси; X — объемная доля природного газа.

5 ил., 1 табл. няют обратно пропорционально теплотворной способности общей смеси газов.

Указанный способ имеет следующие недостатки. Во-первых, стабилизация теплоты сгорания смеси тройного топлива изменением соотношения природный газ †аз не приводит к стабилизации калориметрической температуры продуктов сгорания и, следовательно, не стабилизирует температуру печи и плотность потока теплового излучения в ней. Более того, объединение природного газа путем введения в него азота приводит к снижению производительности печей и увеличению удельного расхода топлива при нагреве металла. Во-вторых, присутствие азота и кислорода в зоне высоких температур приводит к синтезу оксида азота. Это ухудшает экологическую обста1717922 новку в регионе, загрязняет воздушный бассейн и наносит значительный вред здоровью населения.

Таким образом. известный способ отопления нагревательных печей не обеспечивает высокоэффективного сжигания топлива, снижает производительность печей, загрязняет атмосферу вредными выбросами, Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является способ отопления нагревательных печей, включающий подачу коксового газа и стабилизацию его давления в газопроводе путем подачи смеси доменного и природного газов в соотношении (0,57 — 0,69):1.

Известный способ отопления нагревательных печей не позволяет повысить эффективность работы нагревательных печей за счет нестабильности химического состава топлива, разной плотности потока теплового излучения и высокой концентрации оксидов азота.

Целью изобретения является повышение эффективности работы нагревательных печей путем обеспечения максимальной плотности потока теплового излучения продуктов сгорания и снижения концентрации оксидов азота, улучшение экологической обстановки в регионе нахождения высокотемпературных тепловых агрегатов, уменьшение влияния вредных выбросов на здоровье населения.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу отопления нагревательных печей, включающему подачу коксового, доменного и природного газов и сжигание их в рабочем пространстве с изменением расходов газов в смеси, коксовый и доменный газы подают в соотношении (0,01...1,7):1, при этом расход природного газа определяют в соответствии с выражением

С „=1,7(1-Х), где С д — соотношение объемных долей коксового и доменного газов в смеси;

Х вЂ” объемная доля природного газа.

Подача на отопление нагревательных печей коксового и доменного газов в соотношении (0,01-1,7);1 позволяет обеспечить максимальный плотности потока теплового излучения продуктов сгорания, обеспечивающие минимальные и номинальные концентрации оксидов азота в печах. Это объясняется следующим образом, При сжигании тройной смеси топлива одну и ту же температуру можно получить бесчисленным множеством соотношений. Следовательно, из бесчисленного множества вариантов можно выбирать любой и работать с ним.

50 из двух видов топлива (доменного и природного).

Поддержание максимальной плотности потока теплового излучения обусловлено следующими причинами. Дело в том, что зависимость плотности теплового потока имеет вид выпуклой вверх кривой, т,е. любая кривая будет иметь максимум. Отсюда понятно, что требование максимума плотности потока теплового излучения позволит получить наиболее эффективную работу на10

Однако в данном случае мы можем получить в нагревательной печи наихудший режим, Дело в том, что, как было указано выше, при разном химическом составе топлива будет различным и состав продуктов сгорания.

Значит калориметрическая температура для всех вариантов одинакова, а химический состав продуктов сгорания будет разный, Это приводит к тому, что разным будет парциальное давление углекислого газа и паров воды, а следовательно, и интегральная сте..пень черноты продуктов сгорания.

Плотность потока теплового излучения по закону Стефана-Больцмана прямо пропорциональна произведению степени черноты продуктов сгорания и их температуре в четвертой степени. Таким образом, можно сделать важный вывод: при малой степени черноты продуктов сгорания и их высокой температуре величина плотности потока теплового излучения не будет максимальной. Однако при высокой температуре продуктов сгорания будет высокая концентрация оксидов азота. Значит для получения максимальной плотности потока теплового излучения необходимо их определенное соотношение, но при условии, чтобы температура была как можно ниже.

Указанное соотношение коксового и доменного газов в количестве (0,01 — 1,7):1 позволяет получить низкие температуры сгорания, что обеспечивает низкие концентрации оксидов азота.

Если соотношение расходов коксового и доменного газов более 1,7:1, то значительно возрастает температура продуктов сгорания в печи. Это приводит к увеличению концентрации оксидов азота, которые с увеличением температуры в локальных объемах зон горения возрастают по экспоненциальной зависимости. Одновременно с вышеуказанным параметром падает плотность потока теплового излучения продуктов сгорания вследствие уменьшения их степени черноты.

Если соотношение расходов коксового и доменного газов менее 0,01:1, то практически исчезает доля коксового газа и тройная смесь топлива превращается в смесь

1717922

10 и доменного газов. При этом степень черноты продуктов сгорания возрастает по срав- 30 нению с "неоптимальным" соотношением

40

Таким образом, сравнительный анализ свойств, проявляемых отличительными 50 признаками — коксовый и доменный газы подают в соотношении (0,01 —.1,7):1 и при этом расход природного газа определяют в соотвествии с выражением Скд =1,7(1 -Х), 55 гревательной печи и максимальный коэффициент полезного действия. Снижение плотности потока теплового излучения по сравнению с максимальным значением сразу же снижает эффективность работы нагревательных печей.

В смеси тройного топлива присутствует также природный газ, изменение объемной доли которого оказывает существенное вли яние на поставленную цель.

В предлагаемом изобретении расход природного газа определяют в соответствии с выражением

С =1,7(1 -Х), где Скд — соотношение объемных долей коксового и доменного газов в смеси;

Х вЂ” объемная доля природного газа.

Это позволяет поддерживать максимальную плотность потока теплового излучения продуктов сгорания. Дело в том, что увеличение объемной доли природного газа в смеси тройного топлива снижает температуру продуктов сгорания и их степень черноты. Поэтому, чтобы для заданной объемной доли природного газа получить максимальную плотность потока теплового излучения продуктов сгорания, необходимо изменить соотношение расходов коксового расходов коксового и доменного газов. Таким образом, удается получить максимум плотности потока теплового излучения продуктов сгорания на ее соответствующей кривой, хотя абсолютное значение плотности теплового потока изменится в ту или другую сторону.

Объемная доля природного газа изменяется в пределах х=0,01 — 0,99. Это обусловлено тем, что крайние пределы х=0 и х = 1 превращают тройную смесь в смесь из двух топлив (коксово-доменную) или на сжигание будет поступать только природный газ. Однако следует указать, что указанные крайние случаи укладываются в указанную зависимость. показал, что в предлагаемом способе повышается степень черноты газов, плотность потока теплового излучения приближается к максимальному, поддерживается на низком уровне концентрация оксидов азота в продуктах сгорания, 15

На фиг.1 представлен график зависимости плотности потока теплового излучения продуктов сгорания от соотношения расходов коксового и доменного газов для различных объемных долей природного газа; на фиг.2 — график оптимальной зависимости соотношения коксового и доменного газов в зависимости от объемной доли природного газа; на фиг.3 — график изменения концентрации оксидов азота в зависимости от величины плотности потока теплового излучения продуктов сгорания для различных долей природного газа при разных соотношениях коксового и доменного газов; на фиг.4 — график изменения калориметрической температуры продуктов сгорания в зависимости от соотношения коксового и доменного газов при различных объемных долях природного газа; на фиг.5 приведена одна из схем работы устройства, реализующего способ.

На фиг.1, 3 и 4 точками указаны максимальные плотности потока теплового излучения продуктов сгорания для заданной объемной доли природного газа; цифры у кривых — объемные доли природного газа в смеси тройного топлива.

Для управления расходами и соотношением коксового и доменного газов используется контур, состоящий из диафрагм 1 — 3 соответственно для природного, коксового и доменного газов, исполнительных механизмов 4 и 5, регулирующих органов 6 и 7, дифманометров 8 — 10, регулятора 11 соотношения коксового и доменного газов по формуле

Скд = 1,7 (1 - X), Для измерения расхода смеси газов установлен дифманометр 12, сигнал с которого поступает на регулятор 13 и исполнительный механизм 14, регулирующий расход природного газа, Устройство рабогает следующим образом.

При изменении расхода природного газа с помощью цепи 12-13 — 14 изменяется сигнал, поступающий с диафрагмы 1 на дифманометр 8. Дифманометр 8 выдает сигнал

Х, определяющий объемную долю природного газа в общем расходе топлива, который поступает на регулятор 11 соотношения коксового и доменного газов, В регуляторе 11 реализуется зависимость

Скд=1,7 (1 - X), На регулятор 11 с дифманометров 9 и 10 от диафрагм 2 и 3 поступают сигналы о расходах коксового и природного газов. При несовпадении расчетного по заявленному соотношению и экспериментального соотношений регулятор 11 выдает сигналы на

1717922 исполнительные механизмы 4 и 5 и регулирующие органы 6 и 7, которые изменяют в соответствии с расчетным значением4кд расходы коксового и доменного газов.

Корректировки зависимости в случае отсутствия какого-либо из газов следующие.

1. Отсутствует какой-либо газ — система управления переходит к регулированию расхода смеси из двух газов, А, отсутствует природный газ — отопление печи осуществляется коксово-доменной смесью; в этом случае корректирующие цепи через задатчик 15 отключают подачи природного . газа, а на задатчике 15 устанавливают (например, вручную) соотношение между коксовым и доменным газами; если Б. отсутствует коксовый или доменный газ — процесс происходит аналогично указанному в п,1,А) и выходит за пределы изобретения.

2, Присутствует только природный газ— закрываются регулирующие органы 6 и 7 с помощью исполнительных механизмов 4 и

5; регулирование расхода природного гара осуществляется цепью 12-13-14.

3. Присутствует только коксовый или доменный газ — закрываются регулирующие органы 14 и 6 или 7; регулирование расхода по данной схеме выходит за пределы изобретения.

Рассмотрим реалиЗацию способа на конкретном примере. Доля природного газа, подаваемого на горение Равна 0,2, Расход смеси газов равен 5700 м /ч, Следовательно, расход природного газа 1140 м /ч.

Остальное количество 4560 м /ч приходится на коксовый и доменный газы, .которые можно подавать в любом соотношении.

Допустим, Скд=2,0, тогда расходы коксового и доменного газов составляют 3040 и

1520 м /ч соответственно. Согласно фиг.1 плотность потока интегрального излучения при этом значении Скд=2,0 равна

g=123 кВт/м, а температура продуктов сго2 рания 1 =2230 К (фиг.4). Тогда концентрация оксидов азота в продуктах сгорания

Смо =2000 мг/м . з

Соотношение коксового и доменного газов должно быть равно

Скд-1,7 (1 - X)=1,7 (1 — 0,2)=1,36.

Тогда остальные параметры бууут соответственно равны g-123,3 кВт/м (фиг.1);

tk=2210 К (фиг.4); CNQx=1940 мгlм .

Из расчета видно, что используя предлагаемый способ можно повысить плот1 ность потока интегрального излучения и снизить концентрацию оксидов азота.

Предлагаемый способ отопления может быть реализован в печах любой конструкции: нагревательных (методических, камер5

55

Из фиг.1 видно, что максимум плотностей потока теплового излучения продуктов сгорания находятся в интервале соотношений коксового и доменного газов (0,01—

1,7):1. Крайние точки, соответствующие объемным долям природного газа Х=О и Х=1 ных, термических и др.), правильных; в различных тепловых агрегатах, отапливаемых тройным топливом. Для этого можно использовать как известные конструкции систем ручного управления, так и систем с компьютерным управлением.

При ручном управлении оператор получает необходимую информацию с регистрирующих аппаратов по диаграммам приборов, регистрирующих теплоту сгорания топлива, степень черноты и температуру . продуктов сгорания в тепловом агрегате. В случае отклонения от заданного соотношения смеси коксового и доменного газов оператор регулирует вышеуказанное соотношение до "вхождения" в заданные параметры. Затем с помощью номограмм и графиков определяют, какова величина плотности потока теплового излучения и температура продуктов сгорания. Если для получения теплового режима высокотемпературного агрегата не получены условия максимума плотности потока теплового излучения и минимально возможной температуры продуктов сгорания для этой плотности теплового потока, то оператор вводит поправки, добиваясь выполнения всех указанных требований.

При работе теплового агрегата с помощью управляющей вычислительной машины в нее вводятся сигнал расходов коксового, доменного и природного газов; степень черноты, плотность потока теплового излучения и температура продуктов сгорания, При этом выдаются управляющие воздействия на изменение соотношения коксового и доменного газов при поддержании максимальной плотности теплового потока и минимально-возможной температуре продуктов сгорания для этой плотности теплового потока. Таким образом, управляющая вычислительная машина обеспечивает повышение эффективности нагревательных печей и минимальное количество вредных выбросов оксида азота в атмосферу.

Теплотехническое сравнение предлагаемого способа и известного проводилось для нагревательной методической печи.

Составы коксового, доменного и природного газов представлены в таблице.

Коэффициент расхода воздуха а =1,1; температура подогрева воздуха 100 С; эффективная длина луча 1эф=1 м.

1717922

10 плотность потока теплового излучения (точки на кривых фиг.3). При этом обеспечивается оптимальный тепловой и температурный режимы.

Экономический эффект от внедрения изобретения на нагревательной методической печи составит 284,007 тыс.руб/год. также показаны на фиг.1, 3 и 4, но при этих условиях не будет получаться смеси тройного топлива.

При изменении расхода природного газа в смеси расходы коксового и доменного 5 газов определяют по соотношению

Скд= 1,7 (1 - Х).

Объемная доля в данном соотношении изменяется в пределах Х=0,01 — 0,99.

На фиг.З показано изменение концент- 10 рации оксидов азота в зависимости от величины плотности потока теплового излучения продуктов сгорания для различных значений объемных долей природного газа. Из фиг.З видно, что переход по кривой через 15 максимум приводит к снижению плотности потока теплового излучения продуктов сгорания, но тем не менее приводит к росту концентрации оксидов азота, так как возрастает температура продуктов сгорания 20 (фиг.4). Следовательно, работа нагревательных печей рекомендуется только в заштрихованной области. По технологии нагрева необходимо обеспечивать наилучшее использование теплоты топлива, что можно 25 осуществить, обеспечивая максимальную

Формула изобретения

Способ отопления нагревательных печей, включающий подачу коксового, доменного и природного газов и сжигание их в рабочем пространстве с изменением расходов газов в смеси, отл и ч а ю щи и с я тем, что, с целью повышения эффективности работы печей путем обеспечения максимальной плотности потока теплового излучения продуктов сгорания и снижения концентрации оксидов азота, коксовый и доменный газы подают в соотношении (0,01-1,7):1, и ри этом расход природного газа определяют в соответствии с выражением

С.,=17(1 -Х), гдЕ Скд — СООТНОШЕНИЕ ОбЪЕМНЫХ дОЛЕй КОКсового и доменного газов в смеси;

Х вЂ” объемная доля природного газа.

Яб о,<

О.г о,з о,е

120

ПЯ

Нб

И5 о о2 о4

CootnHOlll f ÍÈé

0 6 Îå8 юо консОЯФГО и до меинОГО Риг. 4

Е

ВО

° оч ос ч о с К

Ю ю с

Еч ао

bC g %

С.

Е ч о

Хь

:ь о ю з

В г4 16 (S О газов

1717922

4,6 оо

C)

В о

L. с,г ъ

,о

И

0,s о

I»

0,6 O

ЪС

9иг. 2

ЪОО

ЙОО

COO

2000

)900

1600

Поо

4600

1уоо

$,Þ

О,» э о 0,2

Е о о о

02 04 56 0 6

ОБЪ j CCCCg ОЛЯ CCCcCCPOACCOC 0

ГА 3А

Д ло нос т ь nomotcA та лоао <О

Н Э Л 3 Ч а М И Я n P O A -i rn O B С ГО Еа Н И Я, 4Bm бай

Фиг.

Ф

Е

Х

° (4 "

ag

С

O l»

zX

Е. i Ñ

О

cS и

CO ф, оо о

$ l чч

Х

О е

D

Е

Ю

Ю

Ф

О

1717922

225 о о о,i

22 оО

5 s с о

2ioo о

& б

О с

< оооо

E

Я

i9CO

О 0,2 0)Ч 0,6 0,$ t,О I,? I)1 t,á (,б 2,0

COOmSnmЕ ИИЬ КОКСОВОГО 4 ДОВОЛЕН НОГО

ГАЪоь

Фиг. 4

1717922

hpHP

ГАЬ

Кокс где

Составитель

Редактор Н. Лазоренко Техред М.Моргентал Корректор М. Максимишинец

Заказ 867 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035. Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101