ГЛАВА 2
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СОВРЕМЕННЫХ
ДОМЕННЫХ ВОЗДУХОНАГРЕВАТЕЛЕЙ
2.1. Совершенствование и адаптация математической
модели теплообмена современных доменных
воздухонагревателей
2.1.1. Определение температур продуктов сгорания
топлива на входе в насадку воздухонагревателя
В качестве исходной математической модели воздухонагревателя принята модель
И.Д.Семикина и Э.М.Гольдфарба.
В доменных воздухонагревателях в период нагрева поддерживается заданная
максимально возможная, постоянная температура дымовых газов, входящих в
насадку. Этот режим обеспечивает максимум теплоусвоения насадкой и средней
температуры дутья.
Так как теплота продуктов сгорания расходуется в камере горения
воздухонагревателей только на потери, то раньше [8] при расчете необходимой
теплоты сгорания природнодоменной смеси принимали значение пирометрического
коэффициента равным 0,90-0,95. Это допущение не влияло на параметры работы
воздухонагревателей, так как при их проектировании определяли максимальное
количество природного газа, принимая минимальное значение пирометрического
коэффициента. В период эксплуатации воздухонагревателей расход природного газа
уточняли и регулировали.
В настоящее время, когда решается проблема с полным исключением природного
газа, как топлива для доменных воздухонагревателей, необходимо достаточно точно
определять взаимосвязь температуры продуктов горения, входящих в насадку, и
характеристик компонентов горения топлива (теплота сгорания, температура
топлива и воздуха, расход топлива). Это необходимо для выбора температур
подогрева доменного газа и воздуха и проектирования соответствующих
теплообменников. Расчеты показывают, что если принять максимальное и
минимальное значение пирометрического коэффициента (0,95 и 0,90), то при
температуре под куполом 1400°С необходимая температура воздуха горения будет
отличаться на 22% (550 и 710°С). Такое отклонение необходимых температур
нагрева компонентов горения требует изменения капитальных затрат (инвестиций)
на сооружение теплообменников.
Начальная полная энтальпия потока продуктов сгорания (Н) складывается из всех
энергий, выделившихся при химических реакциях, а также вносимых потоком
нагретых компонентов горения (физическое тепло).
или . (2.1)
Термодинамические свойства веществ табулированы [161].
Теплота диссоциации (Qдис) продуктов сгорания (СО2 и Н2О) оказывает ощутимое
влияние на общий расход энергии при температурах более 1800°С. Например, для
природнодоменной смеси с теплотой сгорания = 5,2 МДж/м3 теплота диссоциации
составляет Qдис = 0,03 МДж/м3 или 0,58%.
При движении потока продуктов сгорания по камере горения и подкупольном
пространстве его температура снижается от теоретической (tт) до температуры
газов, входящих в насадку за счет потерь теплоты через кладку.
или . (2.2)
Эта температура может быть использована только в качестве сравниваемой
величины, однако она не поддается прямому измерению и поэтому не может служить
в качестве параметра управления режимом сжигания топлива и тепловым состоянием
воздухонагревателей. Для этих целей используют понятие температуры под куполом,
которая обычно измеряется с помощью термопары, установленной в куполе с высовом
её спая в рабочее пространство на глубину 50 мм. В этом случае измеряется
среднеэффективная температура продуктов сгорания и кладки. На практике
принимают, что эта температура равна температуре продуктов сгорания, входящих в
насадку .
В некоторых случаях для измерения температуры под куполом используют
радиационные пирометры (доменная печь № 9 ГГМК "Криворожсталь"). За рубежом
начато использование для этих целей бесконтактных инфракрасных приборов фирмы
"Land".
Тепловой баланс для камеры горения и подкупольного пространства можно записать
в виде:
, (2.3)
где: n – коэффициент расхода воздуха;
Lо – теоретический расход воздуха, м3/м3;
iв и iг – соответственно энтальпии воздуха и топлива, КДж/м3;
В и nп.г – расход топлива, м3/с и выход продуктов сгорания, м3/м3;
- потери теплоты через кладку в камере горения (Qк.г), и в подкупольном
пространстве (Qкуп), КДж/м3;
– энтальпия продуктов сгорания при теоретической температуре, КДж/м3.
Из этого уравнения можно определить теплоту сгорания газовой смеси и, приняв
значения соответствующих параметров, температуры подогрева воздуха (tв) и
топлива (tг)
, (2.4)
, (2.5)
, (2.6)
. (2.7)
Из балансового уравнения (2.3) можно также определить теоретическую температуру
(tт)
. (2.8)
Установлена взаимосвязь между температурой газов, входящих в насадку, и
теоретической температурой продуктов сгорания для воздухонагревателей различной
конструкции: с вынесенной камерой горения, со встроенной камерой горения и
одинаковым наружным диаметром, со встроенной камерой горения и увеличенной
толщиной стен высокотемпературной зоны (рис. 2.1).
Потери телоты через кладку купола и радиальных стен, примыкающих к камере
горения, рассчитывали по известной методике [22].
При периодически повторяющихся нагреве и охлаждении кладки камеры горения и
купола тепловой поток, подводимый к внутренней рабочей поверхности кладки,
представляет собой сумму двух потоков: стационарного, проходящего через стенку
в окружающую среду, и нестационарного, поглощаемого кладкой.
Рис. 2.1. Зависимость температуры газов, входящих в
насадку, от теоретической температуры горения для различных конструкций
воздухонагревателей:
1 – со встроенной камерой горения и увеличенной толщиной кладки
высокотемпературной зоны радиальных стен;
2 – со встроенной камерой горения с одинаковым наружным диаметром
воздухонаг