Контент
A Горячая доменная печь представляет собой доменную печь для производства чугуна, в которую подается воздух, который был предварительно нагрет (обычно до 900–1300 ° C) перед подачей в печь через сопла, называемые фурмами, а не воздух комнатной температуры («холодное дутье»). Сам предварительный нагрев происходит в отдельном оборудовании, называемом печью горячего дутья (также известной как печь Каупера), а получаемый в результате нагретый воздух — это то, что называется «горячим дутьем». Почти каждая действующая сегодня доменная печь использует эту систему, поскольку предварительно нагретый воздух значительно снижает расход топлива и повышает производительность по сравнению с печами с холодным дутьем, использовавшимися до 1830-х годов.
Это различие имеет значение, поскольку горячее дутье — это не просто незначительная поправка — это одна из немногих инноваций, которые вообще сделали крупномасштабное производство чугуна на коксовом топливе экономически жизнеспособным. Доменные печи, в которые подается воздух, предварительно нагретый до 900–1250°С, могут обеспечить температуру плавки около 1650°С, что значительно снижает расход кокса на тонну произведенного чугуна. Понимание того, как работает система горячего дутья и почему температура этого воздуха так важна, является ключом к пониманию эффективности современной доменной печи.
Система доменной печи построена на основе двух взаимосвязанных частей оборудования, работающих вместе: самой доменной печи, в которой происходит реакция плавки, и воздухонагревателей, в которых воздух нагревается еще до того, как он достигнет печи.
Печь представляет собой вертикальный цилиндрический стальной корпус, облицованный огнеупорным кирпичом, внутренняя часть которого разделена на две камеры: камеру сгорания, в которой сжигаются газы из доменной печи и других источников топлива, и регенеративную камеру, заполненную шахматной конструкцией из огнеупорного кирпича, нагреваемой сгоревшим газом. Эти огнеупорные «шашечные кирпичи» являются теплоаккумулирующим средством — они поглощают тепло во время горения и отдают его позже, когда через него проталкивается свежий воздух.
Воздухонагреватель не работает постоянно в одном режиме, а чередует две фазы. В период горения (обжига) топливный газ сжигается для нагрева решетчатого кирпичного термоаккумулятора; в период взрыва воздух нагревается, пропуская его через этот аккумулятор тепла. Во время периода разгрузки свежий воздух прогоняется вентилятором под повышенным давлением через нагретые кирпичи, и после нагревания до температуры 1200°C этот воздух (теперь называемый горячим дутьем) подается в нижнюю часть доменной печи для выплавки железной руды.
Поскольку одна печь не может одновременно нагревать газ и нагревать воздух, большинство доменных печей обслуживаются тремя печами: пока нагреваются две, воздушное дутье проходит через регенеративную камеру третьей печи на пути в доменную печь. Именно такое вращение позволяет доменной печи круглосуточно получать непрерывную, бесперебойную подачу горячего воздуха.
Нагретый воздух поступает от печи к печи через пылепровод, который распределяет его по форсункам горячего дутья или фурмам, установленным вокруг основания печи. Поскольку для обеспечения хорошей эффективности печи температуру горячего дутья необходимо поддерживать постоянной, а по мере остывания печи температура естественным образом падает, горячий дутье смешивается с контролируемой пропорцией холодного дутья в смесительной камере, чтобы поддерживать постоянную температуру подачи, даже когда запасенное тепло отдельной печи израсходовано.
Горячий дутье не является современным изобретением — оно датируется началом 19 века и представляет собой один из важнейших прорывов в истории промышленного производства чугуна. До 1820-х годов считалось, что холодный воздух производит железо более высокого качества, чем горячий воздух, главным образом потому, что пониженная влажность в прохладном зимнем воздухе считалась полезной.
Горячее дутье было изобретено и запатентовано для печей по производству железа Джеймсом Бомонтом Нильсоном в 1828 году на металлургическом заводе Уилсонтаун в Шотландии. Нилсон обнаружил, что, увеличив температуру дутья всего до 300°F (149°C), он может снизить расход топлива с 8,06 тонн угля до 5,16 тонн на тонну производимого железа, причем дальнейшее снижение достижимо при более высоких температурах. Результаты были поразительными и быстро проверяемыми в масштабе: Документированные данные Клайдского металлургического завода за период с 1829 по 1833 год показывают, что при выплавке кокса с холодным дутьем использовалось 8,2 тонны угля на тонну железа и производилось 37,5 тонны чугуна на печь в неделю, а при горячем дутье с коксовым углем использование угля до 5,3 тонны и увеличенная производительность до 54,9 тонны в неделю.
Оригинальное оборудование Нильсона имело реальные ограничения. Чугунные трубы, закрепленные внутри кирпичной печи, имели разные характеристики расширения, что привело к появлению трещин в нескольких трубах, а в подающем оборудовании использовались прочные фурмы и гибкие кожаные соединения, которые не выдерживали высоких температур. Лишь в 1860 году англичанин Эдвард Альфред Каупер изобрел первую успешную воздухонагревательную печь — регенеративную конструкцию из клетчатых кирпичей, которая в усовершенствованной форме до сих пор является отраслевым стандартом. Последовавшее за этим быстрое распространение было поразительным: к 1835 году, всего через семь лет после первоначального открытия Нильсона, горячий воздух стал широко использоваться по всей Великобритании.
| Тип печи | Использование угля на тонну железа | Производство чугуна в неделю |
|---|---|---|
| Холодный обдув с коксом | 8,2 тонны | 37,5 тонн |
| Горячий взрыв с коксом | 5,3 тонны | 54,9 тонны |
| Горячий дутьё углем | 3,0 тонны | 62,2 тонны |
Основная причина, по которой горячий дутье работает, заключается в простой термодинамике: холодный воздух, поступающий в печь, должен быть нагрет за счет сжигания топлива внутри печи, прежде чем он сможет принести какую-либо пользу, в результате чего кокс тратится на простое повышение температуры входящего воздуха. За счет предварительного подогрева дутья перед его поступлением в печь увеличивается погонное тепло в виде явного тепла, что напрямую снижает производительность кокса.
Современные исследования подтверждают, что эта связь сохраняется с очень предсказуемой скоростью. При повышении температуры воздуха на выходе горячего дутья на каждые 100°С можно снизить коксовую долю доменной печи на 4–7 %, увеличить производительность на 3–5 % и соответственно увеличить производительность вдувания угля. В отдельной отраслевой оценке это выражается в абсолютных цифрах: каждые 10°C повышения температуры горячего дутья в шламотрубе снижают расход доменного кокса примерно на 4–6 кг на тонну чугуна.
Именно поэтому по мере развития печной технологии горячее дутье стало необходимым, а не необязательным. Предварительный нагрев дутья около 1200°C в настоящее время считается необходимым при впрыске пылевидного угля через фурмы, поскольку дутье горячего воздуха обеспечивает более быстрый нагрев, пиролиз угля и сжигание образующихся газообразных продуктов.
Не все воздухонагреватели устроены одинаково. По различному расположению и конструкции камеры сгорания и регенератора воздухонагреватели обычно делятся на три основные конструктивные формы: внутреннее сгорание, внешнее сгорание и верхнее сгорание. Выбор между ними во многом зависит от того, сколько площади доступно и на какую пиковую температуру горячего дутья ориентируется предприятие.
В конструкции внутреннего сгорания печь состоит из цилиндрической огнеупорной стены с внутренней вертикальной перегородкой, которая делит единый корпус на камеру сгорания и насадочную камеру, содержащую насадочные кирпичи. Это более компактная традиционная компоновка, но она имеет конструктивное ограничение: конструкция камеры внутреннего сгорания с разделительной перегородкой имеет известное слабое место по углам камеры сгорания.
Печи внешнего сгорания состоят из отдельной камеры сгорания и камеры сгорания, соединенных перемычкой, а не общей внутренней стеной. Разделение двух камер на отдельные оболочки устраняет слабое место внутренней конструкции, связанное с угловым напряжением, и обычно поддерживает более высокие пиковые температуры.
Новая категория печей вообще не имеет камеры сгорания в общепринятом понимании — они известны как купольные печи, безшахтовые печи или печи Калугина. В целом, технология воздухонагревателей, особенно конструкция и качество ее огнеупоров, за последние годы претерпела значительные усовершенствования, достигнув уровня зрелости, обеспечивающего срок службы хорошо изготовленной печи более 30 лет.
Поскольку в разных зонах печи наблюдаются очень разные температуры, нельзя использовать один огнеупорный кирпич. Выбор материала зависит от того, насколько горячей становится каждая секция камеры насадки.
Этот многоуровневый подход — сопоставление марки огнеупора с фактическим теплом, которое испытывает каждая зона, — позволяет одной печи безопасно справляться с температурным градиентом, охватывающим сотни градусов сверху вниз.
Воздухонагреватели экономят огромное количество кокса, но они сами являются значительными потребителями энергии — факт, который часто упускают из виду при оценке общей эффективности доменной печи. Количество доменного газа, необходимого печам, составляет около 40% от общего объема производства доменного газа, а энергопотребление печей может достигать 25% от общего энергопотребления завода.
В пересчете на тонну цифры одинаково красноречивы: Согласно данным шести эффективных систем воздухонагревателей по всему миру, средняя общая потребность в первичной энергии составляет 1,8 ГДж на тонну чугуна для воздухонагревателей по сравнению с 11,6 ГДж на тонну для самой доменной печи. Это означает, что печная система, хотя и меньше в абсолютном энергетическом выражении, чем печь, по-прежнему представляет собой значительную и контролируемую долю в общем энергопотреблении предприятия, и при этом повышение эффективности напрямую приводит к экономии кокса.
Практические улучшения на действующих предприятиях продемонстрировали это в реальных цифрах, а не в теории. Задокументированные результаты оптимизации печных батарей на интегрированных сталелитейных предприятиях в США включают снижение расхода печного топлива на 8–15 кг на тонну чугуна и повышение температуры горячего дутья на 15–30 °C, что приводит к снижению расхода кокса примерно на 6–12 кг на тонну чугуна.
Для любого, кто эксплуатирует или оценивает систему доменных печей, несколько параметров постоянно определяют, насколько хорошо работают печи и где достигается или теряется эффективность.
English
русский
Français
Español
عربى
