9.7. Промышленные печи на газовом топливе

Широко распространенными газопотребляющими агрегатами являются промышленные печи. Применение газа (взамен других видов топлива) в промышленных печах при рациональной организации его сжигания дает значительный экономический эффект, определяющийся как более низкими затратами на топливную составляющую в себестоимости продукции, так и улучшением технико-экономических показателей самих агрегатов.

Широкое использование газа открывает возможности для создания высокоэффективных автоматизированных печей новых типов: безокислительного и скоростного нагрева, с кипящим слоем, рециркуляционных и др.

 

Промышленные печи классифицируются по следующим основным признакам:
• по технологическому назначению — плавильные, нагревательные, термические, обжиговые, сушильные и т.д.;
• по источнику тепловой энергии — пламенные, электрические;
• по режиму работы — периодического и непрерывного действия;
• по конструкции рабочей камеры — камерные, проходные, с выдвижным и с вращающимся подами, методические, шахтные и туннельные;
• по способу использования теплоты уходящих продуктов сгорания — рекуперативные, регенеративные.

 

 

При организации сжигания газового топлива в печах особое внимание необходимо уделять правильному теплообмену в рабочей камере печи. По условиям теплообмена промышленные печи можно разделить на три группы:
• Высокотемпературные печи (температура в рабочей камере — выше 1000°С). Теплопередача осуществляется в основном излучением; топливо сжигается в рабочем пространстве печи;
• Среднетемпературные печи (температура в рабочей камере — 650–1000°С). В этих печах теплопередача осуществляется, как излучением, так и конвекцией, газовое топливо сжигается в отдельных камерах, чаще отделенных от рабочего пространства печи.
• Низкотемпературные печи (температура в рабочей камере — до 650°С). Теплопередача осуществляется в основном конвекцией. Газовое топливо сжигается в отдельной топочной камере, а теплоноситель, образуемый смешением высокотемпературных продуктов сгорания с воздухом или рециркулятором необходимой температуры, подается в рабочее пространство печи.

 

В высоко- и среднетемпературных печах теплообмен совершается главным образом за счет излучения пламен и раскаленных трехатомных газов (СО2 и Н2О) к нагреваемым изделиям и к кладке. Роль кладки как вторичного излучателя особенно ощутима при теплопрозрачных продуктах сгорания, образующихся при кинетическом сжигании газа (например, при применении инжекционных горелок среднего давления, работающих с коэффициентом избытка первичного воздуха α1>1,0).

 

Интенсивность теплообмена в низкотемпературных печах, где основное значение имеет передача теплоты конвекцией, достигается путем циркуляции газов, которая одновременно приводит к выравниванию температуры в печах и равномерному прогреву находящихся в них изделий.
Расход газа в печах зависит от их конструкции, эксплуатационного состояния, режима работы, производительности и температуры уходящих газов. Расход газа (теплоты) на 1 кг металла, нагреваемого в печах без рекуператоров, приведен в табл. 9.11.

 

В печах, использующих теплоту уходящих газов для нагрева воздуха, расход газа уменьшается на 20–30% . Количество используемой в печах химической теплоты газа зависит от температуры уходящих газов и коэффициента избытка воздуха (табл. 9.12) Приведенные в таблице данные указывают на необходимость работы с минимальным коэффициентом избытка воздуха и использования теплоты уходящих газов, в особенности для высокотемпературных печей.

Газовое оборудование нагревательных и термических печей. Нагревательные печи предназначены для нагрева металла перед ковкой, штамповкой или прокаткой. При нагреве черных металлов температура в печах в зависимости от марки стали достигает 1250–1400, в отдельных случаях — 1500°С, при нагреве цветных металлов — 500–950°С. Рабочее пространство нагревательных печей выложено шамотным или высокоглиноземистым кирпичом. В печах с температурой выше 1400°С свод выполнен из динасового кирпича.

Термические печи предназначены для нагрева металла перед последующей технологической обработкой. Термическая обработка металлов улучшает их структуру и придает свойства, необходимые для определенных конкретных условий: прочность, твердость, износоустойчивость, вязкость и т.п. Термическая обработка включает в себя ряд операций: нагрев до определенной температуры, выдержку при ней в течение заданного времени и охлаждение с заданной скоростью.

 

Наиболее распространенные операции термической обработки — отжиг, нормализация, закалка,
отпуск и цементация.

 

Для термической обработки применяются камерные, проходные, вертикальные, муфельные и ванные печи. Выбор типа горелок и их числа определяются типом и размером печи, технологией нагрева и т. п. Применение газа позволяет внедрять прогрессивные методы ускоренного и скоростного нагрева металла. Сталь обладает большими возможностями для проведения скоростного нагрева, при котором значительно уменьшаются окисление и разуглероживание стали, а структура и механические свойства улучшаются. В основу этого метода положен принцип транспортирования изделий через печь в течение строго заданного времени, так как температура в печи значительно превышает температуру нагрева металла и достигает 1500–1600°С.

Важнейшим требованием, предъявляемым к скоростным печам, является обеспечение равномерного и всестороннего нагрева. Последнее достигается интенсивным подводом теплоты не только за счет излучения газов и кладки, но и за счет больших скоростей продуктов сгорания, приводящих к увеличению конвективного теплообмена. Тепловые напряжения в печах скоростного нагрева достигают нескольких десятков и даже сотен тысяч киловатт на 1 м3, продолжительность нагрева сокращается в 3–5 раз, а угар металла снижается на 0,3–0,5%.

Печи безокислительного (малоокислительного) нагрева. Для получения после нагрева или термообработки изделий чистой неокисленной поверхностью применяют печи безокислительного нагрева, резко сокращающие потери металла, переходящего в окалину, составляющие в обычных печах 2–5% нагреваемого металла. Кроме того, отсутствие окалины исключает брак от вдавливания ее в поверхность металла при ковке, штамповке или прокате; повышает стойкость штампов и валков. Нагрев заготовок без образования окалины позволяет применять точную штамповку с минимальными допусками, что дает значительную экономию металла и уменьшает затраты на механическую обработку деталей. Для нагрева изделий до 900–1000°С, главным образом для термообработки, а также для газовой цементации, применяют муфельные печи или печи с радиационными трубами.

Для предотвращения угара металла применяется безокислительный нагрев заготовок и изделий в специальных газовых печах. Газ в нагревательных камерах сжигают с большим недостатком воздуха, в результате чего в продуктах неполного сгорания появляется значительное количество оксида углерода и водород, которые не окисляют, а при определенных условиях даже восстанавливают окисленный нагретый металл.

Печь безокислительного нагрева состоит из двух камер и рекуператора для нагрева воздуха. Предварительный разогрев печи осуществляется при сжигании газа с α = 1,05–1,10. После разогрева печи нижняя рабочая камера переводится на горячий воздух с α = 0,5, а в верхнюю камеру подается холодный воздух для дожигания продуктов неполного сгорания из нижней камеры. Образовавшиеся в верхней камере продукты завершенного сгорания поступают в рекуператор, где отдают теплоту проходящему через него воздуху, и отводятся в атмосферу. Передача теплоты заготовкам или изделиям в рабочей камере происходит от факела, продуктов неполного сгорания газа и излучения свода, отделяющего нижнюю камеру от верхней.

Если требуется полностью устранить окисление или обезуглероживание поверхности металла или необходима ее цементация, изделия нагре-вают в пламенных муфельных или радиационных печах. Рабочее пространство таких печей полностью изолируется от продуктов сгорания газа и заполняется специальными газами необходимого химического состава. Изделия помещают в муфели, заполняемые нужной газовой средой.

Нагрев муфелей снаружи осуществляется пламенем горелок и продуктами сгорания газа. В радиационных печах изделия, находящиеся в камерах, заполненных газовой средой, нагревают за счет излучения труб, в которых сжигают газ. Радиационные трубы применяют в безмуфельных печах при термической или химико-термической обработке металла в специальной атмосфере. Наиболее часто с помощью радиационных труб обогревают протяжные и проходные печи для светлой термической обработки полосовой стали, прутков, труб и пр. По мере создания сталей с высокой жаростойкостью (до 1300°С) можно ожидать значительного расширения области применении радиационных труб для безокислительного нагрева металла под ковку и штамповку, для высокотемпературного подогрева воздуха и пр.

В качестве защитной среды, которой заполняют муфели, камеры или туннели с нагреваемыми в них изделиями, широко используют продукты неполного сгорания углеводородных газов, очищенные частично или полностью от водяных паров и углекислого газа, в зависимости от необходимого состава защитной среды процесс неполного сгорания газа проводится при α = 0,60–0,90/0,25–0,40. В первом случае реакция является экзотермической, идущей с выделением теплоты, и полученный газ называется экзогазом; во втором случае эндотермической, требующей подвода теплоты извне. Полученный при этом газ носит название эндогаз.

Печи с кипящим слоем. Одним из наиболее перспективных способов интенсификации теплообмена между греющими газами и поверхностью металла является кипящий слой, образующийся при продувании засыпки зернистого материала потоком газа. При относительно низких скоростях газового потока слой материала неподвижен, сопротивление фильтрации возрастает пропорционально скорости газа. Когда гидравлическое сопротивление слоя становится равным его удельному весу (на единицу площади опорной решетки), наступает состояние псевдоожижения: высота слоя возрастает, частицы (зерна) материала под действием потока газа начинают перемешиваться.

 

В качестве зернистой засыпки в печах кипящего слоя применяют кварцевый песок, корунд, карборунд, шамот, магнезит и другие огнеупорные материалы с размером частиц (зерен) от 50 мкм до 2 мм и более. Для получения высоких значений коэффициента теплоотдачи выгоднее использовать засыпку из мелкозернистого материала (dср = 0,3–1,0 мм).
Частицы (зерна) твердого материала, нагретые газовым потоком, соприкасаются с поверхностью нагреваемого металла и отдают теплоту. Постоянное обновление частиц у нагреваемой поверхности следствие их интенсивного перемешивания, высокая объемная теплоемкость и их большая поверхность в единице объема слоя обеспечивают высокие значения коэффициентов теплоотдачи от газов к частицам и наоборот. Таким образом, частицы служат эффективным промежуточным теплоносителем.

 

 

По нагревающей способности кипящий слой превосходит все применяемые в промышленной практике способы нагрева, за исключением индукционного. Так, например, при температуре среды 900°С средний коэффициент теплоотдачи αк, кВт/(м2•°С), при нагреве металла от 20 до 900°С достигает:
• для кипящего слоя — 1021,
• для расплава щелочи — 696,
• для расплава соли — 394,
• для обычной газовой печи — 209.

 

 

С увеличением плотности частиц и температуры слоя, с уменьшением размера частиц коэффициент теплоотдачи к поверхности возрастает. За счет подбора размеров и плотности инертного материала, а также скорости газов, проходящих через слой, можно в широких пределах регулировать коэффициент теплоотдачи.
Весьма ценное качество кипящего слоя как промежуточного теплоносителя — постоянство температур по всему объему камеры, объясняемое интенсивным перемешиванием частиц. Высокая равномерность нагрева (+-5°С), незначительная зависимость интенсивности теплообмена от температуры нагреваемых изделий, возможность регулирования скорости нагрева — все это позволяет быстро нагревать и охлаждать в кипящем слое детали переменного сечения и сложной формы без перегрева и коробления отдельных частей. К недостаткам кипящего слоя следует отнести значительные расходы газа на псевдоожижение, неодинаковую интенсивность теплообмена с вертикальными и горизонтальными плоскими поверхностями, унос и пр.

 

Для нагрева кипящего слоя применяются два способа сжигания газа: в выносных топках под газораспределительным устройством (решеткой) и в самом слое. Способ сжигания газового топлива под решеткой и подвод теплоты в слой с горячим дутьем широко применяют в процессах сушки и дегидратации различных материалов, при сушке литейных песков и пр. Он весьма прост, надежен и безопасен.

Выносные топки указанных установок работают под давлением.

При втором способе предварительно подготовленная смесь газа с воздухом проходит через решетку, раздробляясь при этом на мелкие струйки, и попадает в разогретый кипящий слой инертного материала. Процесс горения идет в присутствии частиц с раскаленной поверхностью.

Для кипящего слоя характерно использование мелких частиц (диаметром от 0,2 до 5 мм). Суммарная площадь поверхности таких частиц в единице объема велика и растет с уменьшением их размеров (для сферических частиц диаметром 1 мм она составляет 3600 м2 на 1 м3). Высокая объемная теплоемкость частиц, в сотни раз превышающая теплоемкость псевдоожижающей среды, способствует тому, что горячая смесь, попадая в слой, подогревается практически мгновенно и без снижения температуры частиц. При высоких температурах скорость химической реакции чрезвычайно велика, и сгорание подготовленной смеси в слое происходит в зоне высотой 30–100 мм. Устойчивое горение гомогенной смеси в слое обеспечивается при температуре 800–850°С и выше.