Введение к работе
Актуальность работы. Основными особенностями и недостатками отечественной металлургии являются высокие капиталоемкость, энерго- и ресурсопотребление. На производство продукции металлургического комплекса расходуется 14% топлива и 33% электроэнергии от их общего потребления в промышленности, что объясняется достаточно низким техническим уровнем металлургических производств по сравнению с промыпгленно-развитыми странами. В результате, удельные расходы условного топлива в 1,5*3 раза, а суммарное негативное воздействие на окружающую среду в 2 раза выше. Согласно намеченным Правительством Российской Федерации мерам по развитию металлургической промышленности планируется к 2010 году сократить удельные затраты топливо-энергетических ресурсов в металлургическом переделе на 17% при увеличении общего производства продукции на 10* 12%. Это значит, что весь прирост должен быть обеспечен за счет сэкономленных видов энергии, а энергосбережение является актуальной задачей на сегодняшний день. Кроме того, любое снижение удельного расхода топлива связано с уменьшением валовых выбросов и тепла, что, в свою очередь, подтверждает актуальность работы.
Одним из видов топливопотребляющих агрегатов в металлургии являются пламенные печи, отапливаемые газом. Эффективность их определяется, в первую очередь, состоянием и работой системы отопления, правильностью выбора горелочных устройств и режимов сжигания. Это обеспечивается при условии соответствия характеристик факелов требованиям технологии и режимам работы агрегата. Широкая практическая реализация данного принципа возможна только при наличии, с одной стороны, достаточной номенклатуры горелочных устройств с характеристиками факелов, а с другой - сформулированных требований к горелкам и системам отопления агрегатов.
Целью работы является развитие и обобщение расчетно-
экспериментальных и промышленных методов исследований характеристик
факелов и разработка на этой основе ГОр«ло^Гнь$дЩ$^9?$н5йР металлургиче-
СПете] О» ТОО
ских печей, обеспечивающих снижение удельных расходов топлива и вредных выбросов при сжигании различных видов газообразного топлива.
Научная новизна результатов работы. На крупномасштабных экспериментальных стендах выявлено влияние конструкции горелки, вида топлива, тепловой мощности, коэффициента избытка воздуха, степени крутки воздушного потока, а также формы и размеров тоннеля и степени стеснения факела на теплообменные характеристики.
Разработана методика определения как общей, так и конвективной теплоотдачи по длине камеры сгорания для «эталонных» горелок в зависимости от особенностей конструкции, режимных параметров и соотношения размеров горелка-камера.
Впервые показано влияние на теплоотдачу конвекцией от ограниченных струй внутреннего состояния потоков, определяемого конструктивными особенностями горелки. Введено понятие конструктивного коэффициента горелки и представлены численные значения для различных реальных конструкций.
Получены новые экспериментальные данные на огневых стендах и промышленных агрегатах о влиянии основных режимных параметров (температуры воздуха горения, коэффициента избытка воздуха, температуры в печи и теплоты сгорания топлива) на образование оксидов азота. При расчете выбросов оксидов азота конструкцию горелочного устройства целесообразно учитывать величиной базового коэффицента, определяемого типом печи.
Получена расчетная формула для определения выбросов оксидов азота за нагревательными и термическими печами, позволяющая прогнозировать основные пути снижения NOx как при реконструкции существующих агрегатов, так и при проектировании новых.
Впервые экспериментально подтверждено наличие двух механизмов стабилизации воспламенения (внутреннего и наружного) в разомкнутом факеле плоскопламенной горелки, существование которых определяется температурой продуктов сгорания и концентрацией кислорода в печном объеме. Изучено влияние режимных и конструктивных параметров плоскопламенной горелки и сопряженного с ней печного объема на стабилизацию воспламенения, установ-
5 лены численные значения определяющих величин (температуры продуктов сгорания и содержание 02 в восходящем потоке) и взаимосвязь между ними.
Разработан алгоритм и методика расчета температурных условий стабилизации воспламенения, проведено сравнение опьпных и расчетных данных, показывающее возможность использования методики для определения механизма стабилизации при работе горелок на промышленных объектах.
Практическая ценность. С использованием научных результатов сформулирован универсальный алгоритм выбора и конструирования горелочных устройств и способов отопления металлургических пламенных печей, включающий следующие этапы:
определение (формирование) требований к характеристикам факела и параметрам работы горелок и систем отопления, обуславливаемых тепловым, температурным и гидравлическим режимами печей, а также содержанием вредных выбросов;
выбор конструкции или определение типа горелки с использованием характеристик «эталонных» горелочных устройств;
конструирование горелочного устройства на основе выбранного «эталонного» аналога;
выбор методики и стенда для испытаний горелки и исследование характеристик факела;
определение схемы (способа) отопления на основе анализа результатов стендовых исследований характеристик факелов и необходимости обеспечения требований технологического процесса агрегата.
Ряд научных результатов были включены в методику испытаний автоматизированных горелочных устройств металлургических агрегатов стран-участниц СЭВ и отраслевой методики государственных испытаний горелочных устройств в Опорном испытательном центре Минчермета СССР.
С использованием научных результатов работы созданы плоскопламенные горелочные устройства для сжигания природного, коксового, коксодомен-ного газов и их смесей. Разработанные горелки успешно эксплуатируются на металлургических заводах бывшего СССР и за рубежом; эти разработки ис-
пользованы институтом «Сталыгроект» при внедрении стандартов предприятия (нормалей) на плоскопламенные горелочные устройства
Экспериментальные данные по механизму образования и методические рекомендации по снижению оксидов азота при сжигании газообразных видов топлива в высокотемпературных нагревательных печах использованы при разработке ГОСТ Р 50591-93, действующего в настоящее время.
Практическая ценность разработанных способов сжигания газообразного топлива и конструкций горелочных устройств подтверждена шестнадцатью авторскими свидетельствами и патентами, большинство из которых внедрены на промышленных агрегатах со значительным экономическим эффектом.
Степень достоверности результатов исследований. Проведенные исследования отличаются высокой степенью достоверности, т.к. все стенды и исследованные горелочные устройства были выполнены в реальных промышленных размерах, применялись современные контрольно-измерительные приборы и уникальное оборудование. Результаты экспериментов неоднократно проверялись на повторяемость и сравнивались с известными данными других авторов. Кроме того, все полученные материалы не противоречат известным физическим закономерностям и проверены неоднократными ссылками в публикациях других авторов, в т.ч. и при разработке нормативных материалов.
Автор защищает:
-
Новое представление о горел очном устройстве как совокупности элементов, формирующих струйно-факельные процессы в соответствии с требованиями металлургических технологий, принципов энергосбережения и экологии.
-
Новые экспериментальные данные по теплообменным характеристикам «эталонных» промышленных горелочных устройств, полученные на огневых стендах по одной методике, и выведенные на их основе расчетные выражения для определения тепловых потоков от факела с учётом конструкции горелки, в т.ч. и конвективной составляющей.
-
Результаты теоретического анализа и экспериментальные данные, доказывающие влияние состояния потоков (степени турбулентности) перед горе-
7 лочным устройством на аэродинамику истекающих струй и теплоотдачу конвекцией к стенкам камеры.
-
Новый механизм стабилизации воспламенения в разомкнутом факеле, объясняющий режимы устойчивого и неустойчивого горения в плоскопламенных горелках соотношением топливо-окислитель в следе за соплом и на границе пристенной и обратной зон факела.
-
Новые экспериментальные данные по образованию оксидов азота и способы воздействия на их эмиссию при сжигании природного газа и расчетные эмпирические зависимости, полученные на этой основе.
-
Новые способы и конструкции горелочных устройств и способы сжигания различных видов газообразного топлива применительно к металлургическим агрегатам внедренные в производство, в том числе:
способ сжигания газа в разомкнутом факеле, позволяющий реализовать принцип сводового отопления в низкотемпературном агрегате с целью повышения равномерности нагрева, снижения удельного расхода топлива и выброса вредных веществ;
горелочные устройства для сжигания коксового и коксодоменного газов в крупных нагревательных печах, позволяющие повысить равномерность нагрева, снизить расход топлива и выброс вредных веществ.
7. Основные принципы и методические основы испытаний горелочных
устройств, явившиеся базовыми для создания методик испытания промышлен
ных горелок.
Апробация работы. Результаты работы доложены и обсуждены на: Международном конгрессе «300 лет Уральской металлургии» (г. Екатеринбург, 2001 г.); международной конференции «Теплотехника и энергетика в металлургии» (г. Днепропетровск, 2002 г.); 2-ой международной научно-практической конференции «Автоматизированные печные агрегаты и энергосберегающие технологии в металлургии» (г. Москва, 2002 г.), конференции с международным участием «Новые и усовершенствованные технологии для окускования сырья и производства чугуна и ферросплавов» (г. Варна, НРБ, 1990 г.); международном семинаре «Повышение эффективности использования газа в про-
мышленности» (г. Киев, 1987 г.); 8-ом и 9-ом заседаниях секции энергетики и охраны окружающей среды Постоянной комиссии СЭВ по черной металлургии (г. Айзенхюттенштадт, ГДР, 1986 г.; г.Сплит, СФРЮ, 1987 г.); V-ой Всесоюзной научно-технической конференции «Расчет, конструирование и применение промьппленных печей с радиационными трубами» (г. Киев, 1987 г.); Всесоюзном семинаре «Экономия топливо-энергетических ресурсов на предприятиях черной металлургии» (г.Москва, ВДНХ, 1985 г.); Всесоюзном научно-техническом семинаре «Пути дальнейшего снижения расхода топлива при производстве электрической и тепловой энергии» (г. Ленинград, 1985 г.); Всесоюзном совещании «Использование природного газа в народном хозяйстве» (г.Каунас, 1983 г.); Всесоюзном научно-техническом совещании «Улучшение конструирования, освоения и эксплуатации нагревательных и термических печей заводов черной металлургии» (г.Череповец, 1982 г.); Всесоюзном семинаре «Совершенствование методов нагрева и охлаждения металла в прокатном производстве» (г. Москва, ВДНХ, 1979 г.); Всесоюзных совещаниях по теории и практике сжигания газа г. Ленинград, 1972 г., 1975 г.); Республиканских конференциях по проблемам тепловой работы металлургических печей (г. Днепропетровск, 1973 г., 1976 г.), а также на ряде отраслевых и региональных конференций и семинарах по проблемам повышения эффективности использования топлива в металлургических агрегатах.
Публикации. Результаты выполненных исследований опубликованы в одной монографии, 2-х брошюрах, 33 статьях, 12 авторских свидетельствах и 4 патентах.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, семи глав и заключения. Объем работы - 276 страниц текста - включает 91 рисунок, 17 таблиц, список используемой литературы из 232 наименований и шесть приложений.
