Физико-металлургический факультет
Специальность: Промышленная теплотехника
Пламенные печи нашли широкое распространение в различных отраслях промышленности. Эти печи отапливают как жидким так и газообразным топливом. Среди различных видов газообразного топлива первое место принадлежит природному газу, применение которого непрерывно расширяется. Природный газ обеспечивает высокую температуру сгорания и содержит большое количество метана, что позволяет в случае необходимости получать светящееся пламя.
Теплообмен излучением в рабочем пространстве высокотемпературных печей является преобладающим видом теплообмена, зависящим как от температуры, так и от его излучательной способности. Как известно, светящееся пламя отличается от несветящегося тем ,что оно излучает тепловую энергию не селективно, в пределах полос СО2 и Н2О ,а по всему спектру, включая видимую область. Причём именно в видимой области светящегося пламени природного газа излучается значительное количество тепловой энергии. Объясняется это тем, что дисперсная фаза (сажа), возникшая при разложении ментана, содержит в своём составе частицы таких размеров (0,05-0,2 мкм), которым свойственно максимальное излучение именно в видимой и ближней инфракрасной части спектра. Таким образом, излучательная способность светящегося пламени значительно выше, чем излучательная способность несветящегося пламени. Эта способность светящегося пламени и является причиной его использования на практике.
В некоторых случаях условия работы печей таковы, что интенсифицировать теплоотдачу излучением в результате увеличения температуры или невозможно (лимитирует стойкость огнеупоров), или нерационально. В таких случаях увеличение теплового потока может быть обеспечено увеличением излучательной способности пламени, т.е. повышением его светимости. В других случаях бывает целесообразно использовать обе эти возможности (и температуру, и светимость) для повышения теплоотдачи от пламени.
Общеизвестно, что светимость пламени не возникает самопроизвольно, что природный газ может давать и несветящееся пламя. Для создания светящегося пламени необходимо при сжигании природного газа создать такие условия, при которых будет обеспечитваться пиролиз метана с возникновением новой дисперсной фазы - сажи. Однако в зависимости от условий разложения (температуры и времени процесса, степени окисления газовой фазы) дисперсная фаза будет обладать различными характеристиками: различными размерами и концентрацией сажистых частиц. Поскольку изменение размеров частиц и их концентрации оказывает значительное влияние на излучение пламени, процесс пиролиза должен быть проведен в оптимальных границах. Именно эти оптимальные условия разложения должны обеспечиваться теми методами, которые используют для сжигания природного газа на практике.
По проведенным расчётам и тепловому балансу, сделаны выводы о нерациональном способе сжигания топлива. Пути снижения расхода топлива при той же производительности 4 т/ч синтетического шлака и были описаны в данной работе.
Для улучшения тепломассообменых процессов печи, необходимо увеличить радиационные характеристики факела, находящегося в рабочем пространстве печи. Одним из путей повышения светимости факела является отопление печей реформированным природным газом. С этой целью часть природного газа из общего количества, идущего на технологический процесс, направляется на специальную установку – реформатор, устанавливаемый в газоотводящем тракте печи. При высокой температуре (1100 – 1300 ?С) метан интенсивно разлагается на сажистый углерод и водород, а образующаяся смесь подаётся в газовую горелку печи. Присутствие в газообразном топливе большого количества сажистых частиц с преимущественными размерами от 0, 2 до 0,5 мкм резко увеличивает светимость факела и приводит к возрастанию передачи тепла излучением. Принцип работы реформатора следующий: природный газ из общего газопровода распределяется на два потока: меньшая часть (~10% по вышеприведенному расчёту) направляется в стальные трубки реформатора, выполненные из жаропрочной стали, а основная часть газа подаётся на инжектор, с помощью которого компенсируется падение давления при движении газа через систему трубок реформатора.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА СВЕТЯЩЕГОСЯ ПЛАМЕНИ ПРИРОДНОГО ГАЗА
1. Природный газ и его свойства У природного газа значительная теплота сгорания, что обеспечивает калориметрическую температуру сгорания более 200 0 С и позволяет его использовать как топливо для высокотемпературных печей. Нижний предел воспламенения природного газа (в неподогретых смесях) составляет 5,34-5,41%, верхний предел 14,39-14,50%. Максимальная скорость распространения пламени 0,68 м/секдостигается при содержании газа в смеси с воздухом 9,45-9,77%. Природный газ безцветен, он не имеет запаха.
2. Светящееся пламя и его применение Чтобы создать светящееся пламя, нужно создать такие условия, при которых произойдет разложение углеводородов топлива с образованием новой дисперсной фазы (сажи), обладающей рациональными характеристиками.
Существуют принципиально два пути создания таких условий:
1. Предварительное (до выхода в рабочее пространство печи) разложение природного газа.
2. Разложение природного газа непосредственно в рабочем пространстве печи. Основа процесса разложения одинакова и заключается в нагреве газа до необходимой температуры в течение определённого времени. Отличаются эти процессы следующим:
1) В первом случае разложение природного газа обычно осуществляется в процессах окислительного пиролиза, т.е. в таких условиях, когда часть сжигается, а другая часть подогревается до определённой температуры теплом, которое выделяется при окислении.
2) Во втором случае газ подаётся одной (или несколькими) струей в рабочее пространство и подогревается в результате поглощения тепла, которое передается элементами рабочего пространства. При этом подача газа должна осуществляться таким образом, чтобы подогрев или разложение газа (или его части) осуществлялись раньше, чем его полное окисление. На практике преднамеренно затягивают смешение газа с воздухом. После возникновения дисперсной фазы её дальнейшие превращения зависят от многих факторов, из которых практически главным является размер её частиц. Чем меньше частица, тем быстрее она окисляется и графитизируется, тем короче будет светящаяся часть пламени. Сравнивая два эти пути, следует отдать предпочтение второму, как более простому. На самом деле, для него не надо ни создавать каких-то дополнительных аппаратов, размещаемых вне печи, ни реконструировать печь. Однако эта простота кажущаяся и обманчива. Дело в том, что процесс предварительного реформирования в принципе проще, а потому лучше изучен и лучше поддаётся управлению. А процесс реформирования в струе крайне сложен, практически не изучен, а потому практически неуправляем. Это объясняется тем, что пламя представляет собой совокупность сложнейших, протекающих практически одновременно процессов. К ним относятся процессы физические и химические. Первые включают аэродинамические и теплообменные процессы, вторые – процессы горения, газификации, пиролиза. В пламени эти процессы часто неотделимы друг от друга, поэтому исследование пламени обычно проводят по одному из двух направлений, которые могут быть определены как научные и промышленные.
Крайняя сложность создания хорошо светящегося факела в мартеновских печах, трудно осуществимый на практике весьма узкий оптимальный температурно-временный интервал разложения метана – всё это определило стремление иметь на печах специальное устройство – реформатор, располагаемый вне печи и позволяющий надёжно управлять реформированием необходимого количества природного газа. Принцип работы реформатора следующий. В первую (нижнюю) горелку подаётся газ (или газ и мазут), который реформируется, взаимодействуя с подогретым в регенераторе воздухом. Подогретый воздух засасывается в реформатор вследствие инжектирующего действия струи второй (верхней) горелки, через которую подаются около 60% газа, основной мазут и компрессорный воздух. В реформаторе поддерживается величина коэффициента кислорода 0,2-0,25, что при наличии подогретого воздуха позволяет обойтись без дополнительного обогрева камеры реформирования. Время пребывания газа в реформаторе не превышает 0,6-0,7 сек. Процесс реформирования протекают при температуре 1050-1150С. Выход сажи составляет 90-120 г/м3. Применение подобных реформационных устройств на печах, в которых выплавляют высококачественную сталь, с использованием природного газа и сернистых мазутов дало хорошие результаты. Производительность печей увеличилась на 5 – 7%, удельный расход топлива снизился на 4,5 – 7%, стойкость главного свода и насадок регенераторов повысилась на 12 – 15%.
3. Влияние продуктов разложения природного газа на излучение пламени
При определённых условиях разложения природного газа (метана) в продуктах разложения возможно одновременное присутствие как сажистого углерода, так и промежуточных продуктов разложения, которые могут оказывать различное влияние на радиационные свойства пламени.
Учёный Ботчер осуществил предварительный нагрев газа в специальном подогревателе и последующее его сжигание и получил, что максимум излучения наблюдали при температуре 1000 – 1150 С. Причём при дальнейшем повышении температуры подогревателя излучение пламени уменьшалось. Этому же температурному интервалу соответствовало наибольшее количество жидких углеводородных соединений, образующихся при разложении метана.
Подобные же выводы сделали Руммель и Вэ, причем они высказали мнение, что наибольшее влияние, на излучение пламени оказывают промежуточные соединения, образующиеся при разложении метана. Механизм такого влияния представлялся авторам следующим образом: в процессе дегидрогенезационной конденсации и окисления углеводородных соединений выделяется атомарный водород, сгорающий вблизи поверхности частиц, постепенно обогащающихся углеродом. Это приводит к повышению температуры поверхности частиц и в итоге – к более интенсивному излучению. Жидкие промежуточные продукты разложения (гудроны) образуются только в определенном температурном интервале. Поэтому увеличение излучения пламени при предварительном подогреве газа до тех же температур вполне естественно связывать именно с фактом присутствия промежуточных продуктов разложения.
Однако Шак, выполнивший расчет теплообмена сажистой частицы с окружающей её газовой фазой, показал, что разность температур газового потока и частицы составляет не более 1 – 2 град. Этот факт поставил под сомнения гипотетические предположения Руммеля и Вэ о причинах значительного влияния промежуточных продуктов разложения метана на излучение пламени. Необходимо иметь в виду, что увеличение температуры разложения от 1050 до 1200 ?С влечёт за собой увеличение содержания водорода в дисперсной фазе с одновременным увеличением диаметра частиц. Это очень важный факт, так как именно увеличение диаметра частиц может быть причиной того, что в области максимального образования промежуточных продуктов разложения (а именно они содержат водород) излучательная способность пламени максимальна.
РАЗЛОЖЕНИЕ ПРИРОДНОГО ГАЗА
1. Общая характеристика процесса пиролиза метана и образования дисперсной фазы
Метан составляет основу природного газа, поэтому закономерности процесса пиролиза метана являются определяющими и для процесса разложения природного газа. В практических условиях реформирование природного газа осуществляют для выделения при пиролизе метана дисперсной фазы, которая значительно увеличивает излучательную способность пламени.
Таким образом, дисперсная фаза, взвешенная в газовой фазе, является тем продуктом, ради которого проводят разложение метана, как главенствующей составляющей природного газа. Однако контролировать процесс разложения метана по дисперсной фазе чрезвычайно затруднительно. Поэтому его контролируют по остаточному метану или, иначе говоря, по степени разложения метана. Процесс разложения метана определяется температурой и временем. Температура, при которой проводится пиролиз, определяется рядом факторов. Главным из них при термическом пиролизе метана при его постоянном расходе является интенсивность питания системы теплом, что находит свое конкретное выражение в той температуре, которую поддерживают на стенах емкости, в которой происходит разложение. При окислительном пиролизе большое влияние на температуру процесса оказывает величина коэффициента расхода кислорода.
Радиационные свойства пламени зависят от размера и штучной концентрации сажистых частиц, взвешенных в газовой фазе. Весь газ не может одновременно достигнуть той или иной температуры, и его отдельные микрообъёмы могут нагреваться по-разному. Поэтому в продуктах разложения наряду с промежуточными продуктами присутствует и сажистый углерод.
Таким образом, образование углерода идет путем образования очень крупных и, возможно, неустойчивых молекул, возникших в результате полимеризации радикалов и способных в дальнейшем графитизироваться. Выбор в практических условиях оптимального коэффициента кислорода для процесса окислительного пиролиза метана определяется не только желаемой степенью разложения, но и тепловыми характеристиками процесса. В расходной части теплового баланса определяющую роль играют потери тепла, уносимого из реакционной зоны газообразными продуктами.
Поэтому целесообразно вести процесс реформировния природного газа в режиме окислительного пиролиза с применением обогащенного воздуха или даже чистого кислорода. Естественно, что снижение температуры будет тем больше, чем выше значение степени разложения, и тем меньше, чем больше тепла содержит газовая среда после завершения окисления части метана. Поэтому применение подогретого воздуха будет снижать разницу между начальной и конечной температурой пиролиза метана в атмосфере продуктов окисления части метана.
При подогреве воздуха до 1100 ?С вполне приемлемым оказывается режим, когда ?=0,15, так как дает весьма значительное количество продуктов разложения и в большом интервале температур является практически самоокупаемым в тепловом отношении.
Использование в качестве топлива частично реформированного природного газа для шлакоплавильной печи производительностью 4 т/ч готовой продукции, позволяет уменьшить расход топлива на 30 – 40% и сократить время тепловой обработки материалов. Технико-экономические расчёты показывают, что окупаемость установленного в дымовом тракте печи реформатора составляет менее одного года.