Сжигание газового топлива в промышленных печах

Наиболее крупные потребители газа – промышленные печи черной металлургии. Использование газа в доменных печах позволяет уменьшить расход кокса, повысить производительность труда и снизить себестоимость получения чугуна.

Сжигание газа в мартеновских печах дает возможность сэкономить значительное количество малосернистого мазута и повысить производительность печей. Применяют газовое топливо также в печах машиностроительных заводов. В этих печах происходит передача теплоты от газового пламени и продуктов горения нагреваемым изделиям и материалам.

По технологическому назначению промышленные печи подразделяют на:

• нагревательные (кузнечные),
• термические (для закалки, отпуска, отжига),
• плавильные (для плавки металлов, стекла),
• обжигательные (для обжига кирпича, извести, фарфора и др.),
• сушильные (для сушки песка, лакокрасочных покрытий и др.).

По способу теплообмена и достигаемой температуры печи подразделяют на:

• высокотемпературные (выше 1000 °С), в которых передача теплоты происходит преимущественно лучеиспусканием;
• среднетемпературные (650–1000 °С), в которых передача теплоты производится лучеиспусканием и конвекцией;
• низкотемпературные (до 650 °С), в которых передача теплоты происходит преимущественно конвекцией.

В высокотемпературных печах газ сжигается в рабочем пространстве печи, что обеспечивает передачу теплоты нагреваемым предметам в основном за счет лучеиспускания от пламени горелки, раскаленных продуктов горения и вторичных излучателей (нагретые поверхности кладки и стен).

В низкотемпературных печах газ полностью сжигается в топке, продукты сгорания, направляясь в рабочую камеру, омывают нагреваемые предметы и передают теплоту в основном за счет конвекции.

Скоростной нагрев металла при температурах в печной камере до 1400–1500 °С находит все большее применение в массовом производстве, так как сокращается время нагрева и увеличивается производительность печей.

В кузнечно-прессовом производстве используют камерные нагревательные печи с выдвижным подом. В этих печах применяют принудительную циркуляцию продуктов сгорания за счет энергии газовоздушных струй, вытекающих из горелок, что способствует получению вращающихся потоков газа с равномерной температурой вокруг нагреваемых изделий.

Для предохранения поверхности металла от контакта с агрессивными газами применяют защитные среды. Один из способов получения защитной среды – сжигание газа с недостатком воздуха.

На металлургических заводах получили распространение муфельные печи для термической обработки холоднокатаного листа в рулонах, отжига проволоки в бунтах. Муфельные печи применяют также для термической обработки металла в машиностроении. Используют газовое топливо при сушке форм в литейных цехах.

Природный газ успешно применяют в химической и пищевой промышленности, а также в промышленности строительных материалов. Для повышения производительности стекловаренных печей и увеличения светимости факела пламени используют обогащение газа тяжелыми углеводородами (до 20–30 % мазута). Применяют также методы перевода сталеплавильных и стекловаренных печей на природный газ без добавки мазута, повышение светимости факела достигается путем замедленного смешения газа и воздуха в печи и усиления выделения из газа сажистого углерода, что позволяет сократить время варки стали и стекла и снизить расход топлива. Большое значение имеют правильный выбор количества и типа горелок, их рациональное размещение, правильное устройство дымоходов с учетом размещения в печи материалов, подвергающихся тепловой обработке.

Горелки должны обеспечить подготовку и подачу газовоздушной смеси в рабочее пространство печи, устойчивость зажигания и стабилизацию фронта горения в интервале изменения нагрузки печи, создание факела необходимой длины и излучательной способности. Для выполнения этих функций применяют различные горелки. Атмосферные горелки используют в низкотемпературных печах.

Инжекционные горелки среднего давления применяют в небольших камерных печах шириной до 0,8 м при одностороннем и 1,5 м при двустороннем размещении горелок. Горелки с принудительной подачей воздуха более универсальны, они успешно работают на газе низкого и среднего давлений на разнообразных установках с различным режимом и обеспечивают более широкие пределы регулирования расхода газа, что позволяет интенсивно подводить теплоту в период разогрева и снижать подвод, когда расход теплоты нужно значительно уменьшить без выключения отдельных горелок. При переводе печей на газовое топливо рекомендуется устанавливать газомазутные горелки. Число горелок на агрегате должно быть минимальным, но достаточным для равномерного нагрева и соответствующего теплового режима.

При размещении горелок на агрегате необходимо исключить прямое направление факела на нагреваемые поверхности, так как это может привести к местным перегревам и ухудшению качества продукции. Размещение дымоотводящих каналов в рабочем пространстве печи должно обеспечить равномерное распределение продуктов сгорания, омывающих нагреваемые предметы.

Рассмотрим устройство и принцип действия некоторых промышленных печей.

По условиям укладки и перемещения нагреваемых предметов в рабочем пространстве печей различают камерные и методические печи. Камерные печи бывают со стационарным или выдвижным подом, в которых металл в процессе нагрева находится в неподвижном состоянии. В методических печах металл во время нагрева перемещается в рабочем пространстве печи. В методических печах температура рабочей среды по ходу металла неодинакова, а в камерных – практически одинакова.

1. Камерная нагревательная печь

Камерная нагревательная печь (рис. 1, а). Источником теплоты служит горелка низкого давления с принудительной подачей воздуха. Сжигание газовоздушной смеси осуществляется в рабочем пространстве печи, что обеспечивает скоростной нагрев изделий до 1400 °С. Изделия нагреваются в основном за счет излучения факела, продуктов сгорания, кирпичной кладки и частично за счет конвекции.

Рис. 3. Промышленные печи: а – камера нагревательная: 1 – газовый коллектор; 2 – продувочный газопровод; 3 – клапан блокировки газа и воздуха; 4 – запальник; 5, 6 – манометры для газа и воздуха; 7 – воздухопровод; 8 – воздушная регулировочная заслонка; 9 – горелка; 10 – смотровое и запальное отверстия; 11 – шибер; 12 – газопровод безопасности; 13 – дымоход; 14 – загрузочное окно; 15– рабочая камера; б – малая термическая печь: 1 – печь; 2 – тягомер; 3 – инжекционная горелка; 4 – термопара; 5 – регулятор температуры; 6 – исполнительный механизм; 7 – запорный кран; 8 – регулирующий кран; 9 – продувочный газопровод; 10 – манометр; 11 – сигнализатор падения давления газа; 12 – газопровод безопасности

Конструкция вытяжных каналов создает хорошие условия для циркуляции продуктов сгорания и равномерного омывания нагреваемых предметов. Преимущество камерных печей заключается в том, что в них можно нагревать разные по размерам и формам заготовки при различных температурных режимах. Камерные печи могут работать с периодической и непрерывной загрузками и выдачей изделий при постоянном температурном режиме в печи.

2. Термические печи

Термические печи служат для придания нагреваемым изделиям определенных свойств. При этом в низкотемпературных печах стальные изделия нагреваются ниже температур внутриструктурных превращений (до 250–700 °С), а в высокотемпературных – в интервале температур внутриструктурных превращений (700–1200 °С). Поэтому к термическим печам предъявляют более жесткие требования, чем к нагревательным, в отношении поддержания нужного температурного режима в рабочей камере.

На рис. 1, б показана малая термическая печь с регулированием температуры. Поддержание требуемой температуры в печи обеспечивается автоматикой. Принцип работы автоматики заключается в следующем. При отклонениях температуры в рабочей камере изменяется ЭДС в термопаре 4. Изменение ЭДС преобразуется в регуляторе температуры 5 и в исполнительном механизме 6 в усилие, изменяющее степень открытия регулирующего крана 8. Соответственно меняется подача газа в горелку. В термических печах на температурный режим наряду с излучением оказывает большое влияние и конвекция, а в низкотемпературных печах конвективная теплопередача преобладает, поэтому хороший нагрев металла достигается только при равномерном распределении тепловых потоков в рабочем пространстве печи.

3. Сушильные печи

Сушильные печи. В машиностроении в литейных цехах применяют сушильные установки для сушки форм и стержней, а также для сушки изделий после окраски. Рабочая температура в сушильных установках ниже точки воспламенения газа, поэтому в таких установках газовое топливо сжигается в обособленной топочной камере. Продукты сгорания поступают из топки в рабочее пространство после разбавления их воздухом.

Перевод сушильных установок на газовое топливо осуществляется путем установки газовых горелок в топочном пространстве, расположенном ниже уровня пола. Продукты сгорания поступают в рабочую камеру через специальные отверстия распределительных дымоходов, расположенных вдоль боковых стенок сушильных установок. Для сушильных установок применяют инжекционные горелки низкого давления. Эти горелки устанавливают вдоль боковых стенок рабочей камеры сушилок. Газ, поступая в горелку, всасывает из окружающего пространства до 50 % необходимого для полного сгорания воздуха и смешивается с ним.

Для обеспечения равномерной подачи газа по всей длине горелки газовоздушная смесь поступает последовательно по двум концентричным распределительным трубам. На наружной распределительной трубе имеются колпачки с выходными отверстиями, где происходит горение газа. У отверстий за счет смешения с поступающим из-под горелки воздухом образуются растянутые по всей длине сушильной установки факелы. При этом достигается требуемый температурный режим 350–450 °С.

Для поверхностной сушки форм и стержней применяют установки с панельными горелками, а также горелки инфракрасного излучения. Использование радиационного нагрева при сушке литейных форм во многом зависит от их конфигурации. Если плоские поверхности нагреваются и сохнут быстро, то сушка глубоких и затененных выемок длится дольше.

Использование газового топлива позволяет организовать поверхностную сушку крупных форм на месте их изготовления с помощью переносных сушилок, что дает большой экономический эффект.