С целью экономии топлива на
одной из вращающихся барабанных печей цеха для обжига известняка на известь
металлургического комбината «Азовсталь» была проведена модернизация, в ходе
которой внедрена новая система отопления печи. Система отопления включает
газогорелочное устройство с регулированием факела, защитно-запальное
устройство, автоматику управления и безопасности, а также механизм поворота и перемещения горелки. Во время промышленного
испытания горелки определялись оптимальное положение горелки относительно среза
барабана и длина факела, при которых эффективность теплоотдачи к насыпному слою
максимальная. В статье представлены графики распределения температуры на
внешней поверхности барабана, косвенно отражающие распределение температур в
рабочем объеме, а также приведены основные характеристики работы печи
(производительность, удельный расход топлива и качество готовой извести) в
зависимости от положения горелки и формы факела. В условиях постоянного
роста цен на энергоносители важным и необходимым условием проведения успешной и
эффективной модернизации печного оборудования является обеспечение экономии
энергоресурсов при улучшении технологических показателей и увеличении срока
службы печи в целом. Решение проблемы с помощью
математического моделирования теплового режима печи на основе тщательного
изучения закономерностей ее работы и поиска
оптимальных параметров, а затем проектирование, реконструкция, наладка
оборудования, адаптация модели и корректировка принятых решений в некоторых
случаях представляется нерациональным, затратным и длительным процессом. Это в
полной мере касается таких крупных печей, как барабанные вращающиеся печи. Для
таких печей создание оборудования, максимально учитывающего специфику тепловой
работы печи с возможностью дальнейшего регулирования технических характеристик
в широком диапазоне, в некоторых случаях
представляется более эффективным. Именно по такому пути пошли при реконструкции
одной из известеобжиговых
печей комбината «АЗОВСТАЛЬ». На барабанных вращающихся известеобжиговых печах металлургического комбината «Азовсталь» (длина – 75 м, внутренний диаметр по корпусу – 3,6 м, внутренний объем – 580 м3) природный
газ подавался в печь двумя однопроводными горелками, установленными в торце
откатной головки: боковая горелка направлялась непосредственно вдоль
поверхности насыпного материала, центральная – вдоль оси барабана печи под
углом к горизонтальной плоскости примерно 2°. Воздух на горение подавался из охладителя извести
шахтного типа по двум боковым каналам в торец откатной головки и снизу через
горловину охладителя, спутным потоком попадая в барабан. Таким образом реализовывался диффузионный принцип
горения. Установленные
горелки обеспечивали острые факела вдоль поверхности материала на определенном
расстоянии, создавая условия наибольшей интенсивности теплоотдачи на поверхности
насыпной массы и соответственно несимметричного нагрева извести. Кроме того, специфика
перемещения материала во вращающемся барабане такова, что на поверхности
насыпной массы скапливаются перекатывающиеся и за счет этого интенсивно
перемешивающиеся куски крупной фракции, а у поверхности футеровки скапливаются
мелкие частицы, образующие скользящее и вяло перемешивающееся ядро мелких и плотных частиц. Поэтому при обжиге
известняка на известь куски крупной фракции, находящиеся на периферии слоя и
непосредственно соприкасаясь с греющими газами, имели более высокое качество
обжига. Скользящее по футеровке ядро из мелкой фракции находилось в самых
неблагоприятных условиях для нагрева, что объясняет его существенно низкую
температуру и менее глубокую прокалку. В печах для обжига известняка на
известь очень важно обеспечить максимально возможную длину высокотемпературной
зоны. Разбивка общего расхода газа на два потока, при прочих равных условиях сокращающая
длину факелов от двух горелок, снижала и длину высокотемпературной зоны. При
этом имел место обычный угол раскрытия факелов, что при наличии параллельных
спутных потоков воздуха не обеспечивало надежного перемешивания и приводило к
тому, что на выходе из печи имел место недожог топлива при высоком избытке
кислорода в продуктах сгорания. Установка двух горелок с фиксированными
характеристиками пламени не давала возможности мобильного управления
температурным полем печи при изменяющихся производительности, фракции
обжигаемого материала и других параметрах. Основным
условием проведения реконструкции было обеспечение снижения удельного расхода
топлива на производство извести не менее, чем на 5% от существующего уровня
(257,4 кгут/т) без уменьшения производительности печи (в среднем 14,5–16,5 т/ч)
и ухудшения качества производимой извести. Достигнутые показатели качества
извести характеризовались следующими показателями: содержание СаО+МgО
составляло 94,0–96,0 %, потери при прокалке (п.п.п.) – не более 3,0 %. Так как
форма и длина факела в условиях ограниченного печного пространства определяет
положение отдельных технологических зон по длине печи, то представлялось весьма
перспективным использование горелки с переменными параметрами факела, обеспечивающей стабильное горение и полное
сжигание топлива в пределах барабана печи при регулировании формы и длины
факела. Для реализации поставленных
задач разработанное горелочное устройство должно отвечать следующим
требованиям: 1. Иметь надежную стабилизацию
факела, так как в месте установки (в загрузочной головке) разрежение может
достигать 50–70 мм вод. ст. 2. Иметь минимально возможный
вес и достаточный ресурс работы, так как в месте расположения высокая
температура (до 1250 °С) и агрессивная среда (известковая пыль). 3. Гибкое и простое
регулирование длиной и формой факела, что дает возможность обеспечить заданное
оптимальное распределение температур по длине барабана в соответствии с
потребностями технологии обжига известняка. 4. Обеспечивать устойчивый
факел с равномерно распределенной температурой по его длине. Это даст
возможность значительно удлинить зону обжига и увеличить теплоотдачу на
материал по всей ее протяженности. 5. При уменьшении длины факела
увеличивать угол его раскрытия для максимального заполнения движущимися
излучающими газами всего свободного пространства в поперечном сечении барабана
в зоне обжига. При этом создаются условия для интенсификации теплоотдачи не
только на поверхность материала, но и на кладку, которая играет большую роль в
нагреве внутренних слоев насыпного материала. Это позволит уменьшить несимметричность
подачи тепла к материалу, а значит, улучшить условия прокалки мелкой фракции. В ходе
капитального ремонта была осуществлена реконструкция системы газоснабжения
существующей вращающейся печи с заменой двух газовых горелок типа «труба»,
работающих на природном газе среднего давления, на газовую горелку с регулируемой
длиной факела ГУРФ-30 в комплекте с защитно-запальным устройством (ЗЗУ)
разработки Института газа НАН Украины, работающих также на природном газе. Отличительной особенностью горелки ГУРФ-30 является наличие двух газовых
каналов, перераспределение потоков между которыми обеспечивает регулирование параметров
факела, а также наличие устройства стабилизации пламени и охлаждения корпуса
горелки для повышения надежности ее работы и сохранности. Горелка относится к типу диффузионных,
при работе которых смешение газа с воздухом, поступающим из охладителя извести,
осуществляется в пространстве печи. Общий вид горелки представлен на рис. 1. Рис. 1. Горелка ГУРФ-30
Горелка
состоит из цилиндрического воздушного корпуса, переходящего в кольцевое
воздушное сопло, внутри которого расположена наружная газовая труба,
оканчивающаяся сопловой головкой с боковыми отверстиями для прохода газа, направленными
под углом к оси горелки. В этой трубе находится внутренняя газовая труба с
соплом на ее конце, которое подходит вплотную к сопловой головке. Между воздушной и наружной газовой трубами установлен
стабилизатор горения, в который
через отдельный патрубок подается газ. Самый длинный
факел можно получить при подаче газа во внутреннюю газовую трубу. Топливный
поток выходит в печь через центральное сечение сопла. При этом создаются
условия замедленного смешения на границе струй газа и воздуха и реализуется
самый длинный факел. Самый короткий факел получается при подаче топлива в
наружную газовую полость между трубами и
дальнейшем его истечении через боковые отверстия мелкими струями. Распределяя подачу газа к
центральному соплу или к сопловой головке с боковыми отверстиями в зависимости
от интенсивности смешения газа с воздухом можно изменять длину факела между его
крайними значениями, что необходимо для реализации оптимального теплового и
технологического режима печи. Стабилизатор горения работает
как плохо обтекаемое тело, расположенное в воздушном кольцевом канале поперек
потока воздуха. Расход газа через
стабилизатор и расход первичного воздуха на горелку при всех режимах работы
постоянный. Техническая характеристика горелки
ГУРФ-30 представлена в таблице 1. Таблица 1
Техническая
характеристика горелки ГУРФ-30
|
№№
|
Наименование
|
Единица
|
Величина
|
параметра
|
|
пп
|
параметра
|
измерения
|
заявленная (нормир.*)
|
фактическая
|
|
1
|
Тепловая мощность: номинальная
минимальная
|
МВт
|
30
10
|
30,32
9,81
|
|
2
|
Давление газа при номинальной
и минимальной тепловой мощности
|
кПа
|
5–40
|
4,92–38,9
|
|
3
|
Расход природного
газа:
номинальный
минимальный
|
м3/ч
|
3000
1000
|
3016
977
|
|
4
|
Коэффициент
рабочего регулирования по тепловой мощности
|
-
|
3,8(3*)
|
3,09
|
|
5
|
Коэффициент избытка
воздуха на выходе из печи при номинальной тепловой мощности
|
-
-
|
1,15*
|
1,32
|
|
6
|
Содержание вредных примесей в сухих неразбавленных продуктах сгорания
(при a = 1.0) при номинальной тепловой мощности:
- оксида углерода СО
- оксидов азота NOх
в пересчете на NO2
|
%
мг/м3
|
0,05*
530**
|
0,075
382
|
* - в соответствии с ГОСТ 21204-83;
** - в соответствии с ГОСТ Р 50591-93.
Горелка с регулируемой длиной факела ГУРФ-30 с ЗЗУ
была установлена на лицевой стороне откатной головки по оси вращающейся печи (рис.
2). Уровень ее установки и наклон относительно оси барабана изменялся во время
пуско-наладочных работ с помощью специального
механизма продольного перемещение и поворота горелок относительно оси барабана. Рис. 2. Горелка ГУРФ-30 с ЗЗУ в печи
Характеристика
печи и ее конструкция остались прежними. Максимальный расход газа на печь Q = 3800 нм3/час,
номинальный – 3000 нм3/час. горелка ГУРФ-30 в блоке с ЗЗУ позволяет обеспечивать двойной контроль наличия
пламени: фотодатчиком, установленным на опорной стойке основной горелки, и ионизационным
электродом контроля наличия пламени на ЗЗУ. Система управления работой горелки представляет собой комплекс
автоматизированных систем безопасности, автоматического регулирования тепловой
мощности печи и системой ручного управления длиной факела. Основной составной
частью комплекса является система безопасности газогорелочного оборудования. Работа по модернизации
горелочного устройства проводилась на печи, которая уже была оснащена
минимальным набором необходимых технологических блокировок и имела достаточный
уровень информационного обеспечения и автоматизации. Бóльшая часть этих
блокировок не относится к работе горелочного устройства, а связана с запечными
теплообменными устройствами (охладителем извести и подогревателем известняка). После замены горелочного
устройства была полностью изменена и его система газо- и воздухоснабжения со
своими дополнительными блокировками, выполненными в соответствии с современными
требованиями безопасности в газовом хозяйстве. В связи с этим в процессе работы были
объединены существующие и вновь установленные блокировки в единую систему
безопасности, которая реализована на базе блока автоматического управления
горелкой. Этот блок выполняет следующие функции: - ручной дистанционный розжиг запально-защитного
устройства (ЗЗУ), затем основной горелки;
- автоматический розжиг запально-защитного
устройства (ЗЗУ), затем основной горелки;
- контроль наличия пламени ЗЗУ ионизационным
датчиком;
- контроль наличия пламени основной горелки
ультрафиолетовым датчиком;
- отключение подачи газа при возникновении любых
аварийных ситуаций, как на горелочном устройстве, так и на запечных
теплообменных устройствах (охладителе извести и подогревателе известняка);
- взаимодействие с
автоматизированной системой управления тепловой мощностью печи. Кроме функции безопасности,
комплекс систем решает еще и задачи управления тепловой мощностью печи. Система
автоматического регулирования тепловой мощности печи реализована на базе
микропроцессорного программируемого контроллера, который выполняет следующие
функции: - измерение и поддержание расхода газа в
автоматическом режиме в заданном диапазоне;
- измерение и регулирование расхода воздуха
дутьевого вентилятора в автоматическом режиме по заданному значению;
- регулирование соотношения расходов
вентиляторного воздуха и газа в заданном диапазоне;
- взаимодействие с системой безопасности
газогорелочного оборудования. Для наглядного
представления хода технологического процесса обжигальщику было предусмотрено
автоматизированное рабочее место (АРМ) на базе персонального компьютера с TFT
монитором 17”.
Обжигальщику предоставляется информация в цифровом виде и в виде трендов о
текущих расходах газа и вентиляторного воздуха, о соотношении расходов воздуха
и газа. Обжигальщик посредством выбора необходимого окна на мониторе может
переключать режимы автоматического управления соотношением воздух/газ,
расходами воздуха и газа, положением исполнительного механизма газа. При необходимости
обжигальщик может просмотреть в отдельном окне АРМа архив трендов
технологических параметров. Информирование обжигальщика о возникновении
аварийных или важных технологических событий производится в отдельном
всплывающем окне, при этом каждое сообщение сохраняется в архиве. Обжигальщик
может также просмотреть журнал архива сообщений. В случае необходимости
обжигальщик имеет возможность управлять исполнительными механизмами
регулирования расходов воздуха и газа дистанционно посредством блоков ручного
управления минуя систему управления тепловой мощностью печи. Подводящий газопровод был оборудован узлом учета
расхода газа (измерительной диафрагмой) и регулятором давления газа на подводе
к газовоздушной рампе для поддержания давления газа перед горелкой на
постоянном уровне при колебаниях давления газа в цеховом коллекторе. В ходе испытаний и
определения оптимального теплового режима печи горелка ГУРФ-30 совместно с ЗЗУ устанавливалась
по оси барабана с различным наклоном во все стороны при заглублении в откатную
головку примерно на 1000 мм (положение 1), на 1600–1800 мм (положение 2) и ниже на 200–250 мм оси барабана
(положение 3). При этом срез сопла при положении 1 не доходил до среза барабана
примерно на 300–400 мм, а в положениях 2 и 3 был заглублен в барабан на 300–400
мм. При всех положениях устанавливалось также оптимальное соотношение между
газовыми потоками в центральное и боковые отверстия горелки, обеспечивающее
такую форму факела, при которой максимально заполнялся объем барабана
светящимися газами. Для
косвенного определения длины факела и тепловыделения в рабочем пространстве
печи для разных положений горелки были выполнены сравнительные замеры
распределения температуры по наружной поверхности брони барабана печи до и
после переоснащения системы отопления печи с помощью бесконтактного пирометра c
рабочим диапазоном температур 50 – 1050 °С. Результаты замеров температуры
вдоль брони барабана до реконструкции приведены на рис. 3.
Представленные на графике температуры надо понимать
как усредненные по периметру барабана в обозначенном точкой сечении. Продолжение смотрите в следующей новости.
| 
