Характеристика методов утилизации тепла в металлургических печах

Дымовые газы, покидающие рабочее пространство печей, имеют высокую температуру и поэтому уносят с собой зна­чительное количество тепла. Например в мартеновских печах из рабочего пространства с дымовыми газами уносится около 80 % всего тепла, поданного в рабочее пространство, в нагревательных печах 60 %. Из рабочего пространства пе­чей дымовые газы уносят с собой тем больше тепла, чем выше температура дымовых газов и чем ниже коэффициент использования тепла в печи. Поэтому целесообразно обес­печивать утилизацию тепла отходящих дымовых газов, ко­торая может быть выполнена принципиально двумя метода­ми: с возвратом части тепла, отобранного у дымовых газов, обратно в печь и без возврата этого тепла в печь. Для осу­ществления первого метода необходимо тепло, отобранное у дыма, передать идущим в печь газу и воздуху (или только воздуху). Для достижения этой цели широко используются теплообменники рекуперативного и регенеративного типа, применение которых позволяет повысить к. п. д. печного аг­регата, увеличить температуру горения и сэкономить топ­ливо.

В ряде случаев тепло отходящих дымовых газов исполь­зуется в теплосиловых котельных и турбинных установках. При этом тепло в печь не возвращается, но достигается су­щественная экономия топлива.

В отдельных случаях оба описанных метода утилизации тепла отходящих дымовых газов используются одновремен­но. Это делается тогда, когда температура дымовых газов после теплообменников регенеративного или рекуператив­ного типа остается достаточно высокой и целесообразна дальнейшая утилизация тепла в теплосиловых установках.

Учитывая важное значение, которое имеет утилизация тепла отходящих дымовых газов с возвратом части их теп­ла в печь, остановимся на этом вопросе подробнее.

Следует прежде всего отметить, что единица тепла, ото­бранная у дыма и вносимая в печь воздухом или газом (еди­ница физического тепла), оказывается значительно ценнее единицы тепла, полученной в печи в результате сгорания топлива (единицы химического тепла), так как тепло подо­гретого воздуха (газа) не влечет за собой потерь тепла с дымовыми газами. Ценность единицы физического тепла тем больше, чем ниже коэффициент использования топли­ва и чем выше температура отходящих дымовых газов.

Для нормальной работы печи необходимо в рабочее про­странство печи подавать определенное количество тепла. В это количество тепла входит не только тепло топлива (Q_x),но и тепло подогретого воздуха или газа (Q_ф), т. е. Q_S = Q_x + Q_ф.

Ясно, что при Q_S = const увеличение Q_ф позволит уменьшить Q_x. Иными словами, утилизация тепла отходящих ды­мовых газов позволяет достичь экономии топлива, причем экономия топлива зависит от степени утилизации тепла ды­мовых газов

где І_в — энтальпия подогретого воздуха Вт/(Дж/период); І_д — энтальпия отходящих из рабочего пространства дымовых газов, Вт/(Дж/период).

Степень утилизации тепла, выраженная в процентах может быть также названа к. п. д. рекуператора (регенаратора):

Зная величину степени утилизации тепла, можно опре­делить экономию топлива по выражению

где — энтальпия дымовых газов при температуре горе­ния, Дж/м; І_д — энтальпия дымовых газов, покидающих печь, Дж/м³.

Снижение расхода топлива в результате использования тепла отходящих дымовых газов обычно дает значительный экономический эффект и является одним из путей сниже­ния стоимости нагрева металла в промышленных печах.

Кроме экономии топлива, применение подогрева воздуха (газа) сопровождается увеличением калориметрической тем­пературы горения, что может являться основной целью ре­куперации при отоплении печей топливом с низкой теплотой сгорания.

Увеличение Q_ф при = const приводит к увеличению температуры горения. Если необходимо обеспечить опреде­ленную величину Т_к, то повышение температуры подогрева воздуха (газа), приводит к уменьшению величины , т.е. к уменьшению доли в топливной смеси газа с высокой теп­лотой сгорания.

Поскольку утилизация тепла позволяет значительно эко­номить топливо, целесообразно стремиться к максимально возможной, экономически оправданной степени утилизации. Однако необходимо сразу отметить, что утилизация не мо­жет быть полной, т. е. всегда R<1.Это объясняется тем, что увеличение поверхности нагрева рационально только до оп­ределенных пределов, после которых оно уже приводит к очень незначительному выигрышу в экономии тепла.

Как уже указывалось, утилизация тепла отходящих ды­мовых газов с возвратом в печь можно осуществить в теплообменных устройствах регенеративного и рекуперативного типов. Регенеративные теплообменники работают при не­стационарном тепловом состоянии, рекуперативные при стационарном.

Теплообменники регенеративного типа имеют следующие недостатки:

1) регенераторы не обеспечивают постоянную температу­ру подогрева воздуха или газа, которая падает по мере ос­тывания кирпичей насадки и ограничивает возможность применения автоматического регулирования печи;

2) прекращается питание печи теплом при перекидке клапанов;

3) при подогреве в регенераторах имеет место потеря топлива через дымовую трубу, при этом величина уноса достигает 5—6 % полного расхода;

4) большие объемы и масса регенераторов;

5) керамические регенераторы всегда располагают под печами; исключение составляют только кауперы, подмещаемые около доменных печей.

Однако, несмотря на очень серьезные недостатки, реге­неративные теплообменники применяют еще на высокотем­пературных печах (мартеновских и доменных печах, в на­гревательных колодцах). Это объясняется тем, что регене­раторы могут работать при весьма высокой температуре дымовых газов (1500—1600 °С). При такой температуре ре­куператоры работать устойчиво пока не могут.

Рекуперативный принцип утилизации тепла отходящих дымовых газов более прогрессивен и более совершенен. Ре­куператоры обеспечивают постоянную температуру подогре­ва воздуха или газа и не требуют никаких перекидных уст­ройств — это обеспечивает более ровный ход печи и боль­шую возможность для автоматизации и контроля ее тепло­вой работы. В рекуператорах отсутствует вынос газа в ды­мовую трубу, они меньшего объема и массы. Однако реку­ператорам свойственны и некоторые недостатки, основны­ми из которых являются низкая огнестойкость металличес­ких рекуператоров и низкая газоплотность керамических рекуператоров.