Фізико-металургійний факультет
Кафедра технічної теплофізики
Спеціальність: Промислова теплотехніка
Полум'яні печі знайшли широке поширення в різних галузях промисловості. Ці печі опалюють як рідким так і газоподібним паливом. Серед різних видів газоподібного палива перше місце належить природному газу, застосування якого безперервно розширюється. Природний газ забезпечує високу температуру згорання і містить велику кількість метану, що дозволяє в разі необхідності отримувати світиться полум'я.
Теплообмін випромінюванням в робочому просторі високотемпературних печей є переважним видом теплообміну, залежать як від температури, так і від його випромінювальної здатності. Як відомо, світиться полум'я відрізняється від світяться тим, що воно випромінює теплову енергію не селективно, в межах смуг СО2 і Н2О, а по всьому спектру, включаючи видиму область. Причому саме у видимій області світиться полум'я природного газу випромінюється значне кількість теплової енергії. Пояснюється це тим, що дисперсна фаза (сажа), що виникла при розкладанні Ментана, містить у своєму складі частки таких розмірів (0,05-0,2 мкм), яким властиве максимальне випромінювання саме у видимій і ближньої інфрачервоної частини спектру. Таким чином, випромінювальна здатність світиться полум'я значно вище, ніж випромінювальна здатність не світяться полум'я. Ця здатність світиться полум'я і є причиною його використання на практиці.
У деяких випадках умови роботи печей такі, що інтенсифікувати тепловіддачу випромінюванням в результаті збільшення температури або неможливо (лімітує стійкість вогнетривів), або нераціонально. У таких випадках збільшення теплового потоку може бути забезпечено збільшенням випромінювальної здатності полум'я, тобто підвищенням його світності. В інших випадках буває доцільно використовувати обидві ці можливості (і температуру, і світність) для підвищення тепловіддачі від полум'я.
Загальновідомо, що світність полум'я не виникає мимовільно, що природний газ може давати і світяться полум'я. Для створення світиться полум'я необхідно при спалюванні природного газу створити такі умови, за яких буде обеспечітваться піроліз метану з виникненням нової дисперсної фази - сажі. Проте залежно від умов розкладу (температури і часу процесу, ступеня окислення газової фази) дисперсна фаза буде володіти різними характеристиками: різними розмірами і концентрацією сажисті частинок. Оскільки зміна розмірів частинок і їх концентрації виявляє значний вплив на випромінювання полум'я, процес піролізу повинен бути проведений в оптимальних межах. Саме ці оптимальні умови розкладання повинні забезпечуватися тими методами, які використовують для спалювання природного газу на практиці.
За проведеними розрахунками і тепловому балансу, зроблені висновки про нераціональний спосіб спалювання палива. Шляхи зниження витрати палива при тій же продуктивності 4 т/год синтетичного шлаку і були описані в даній роботі.
Для поліпшення тепломасообмінних процесів печі, необхідно збільшити радіаційні характеристики факелу, що перебуває в робочому просторі печі. Одним із шляхів підвищення світності факела є опалення печі реформованим природним газом. З цією метою частина природного газу з загальної кількості, що йде на технологічний процес, спрямовується на спеціальну установку - реформатор, встановлений у газовідвідного тракті печі. При високій температурі (1100 - 1300 ° С) метан інтенсивно розкладається на сажістий вуглець і водень, а отримана суміш подається в газовий пальник печі. Присутність у газоподібному паливі великої кількості сажисті часток з переважними розмірами від 0, 2 до 0,5 мкм різко збільшує світність факела і призводить до зростання передачі тепла випромінюванням. Принцип роботи реформатора наступний: природний газ із загального газопроводу розподіляється на два потоки: менша частина (~ 10% за вищенаведеним розрахунком) направляють у сталеві трубки реформатора, виконані з жароміцної сталі, а основна частина газу подається на інжектор, за допомогою якого компенсується падіння тиску при русі газу через систему трубок реформатора.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА світяться ПОЛУМ'Я ПРИРОДНОГО ГАЗУ
1. Природний газ і його властивості У природного газу значна теплота згоряння, що забезпечує калориметричну температуру згоряння більше 200 0 С і дозволяє його використовувати як паливо для високотемпературних печей. Нижня межа займання природного газу (у непідігрітого сумішах) становить 5,34-5,41%, верхній межа 14,39-14,50%. Максимальна швидкість поширення полум'я 0,68 м / секдостігается при вмісті газу в суміші з повітрям 9,45-9,77%. Природний газ безцветен, він не має запаху.
2. Світиться полум'я і його застосування Щоб створити світиться полум'я, потрібно створити такі умови, при яких відбудеться розкладання вуглеводнів палива з утворенням нової дисперсної фази (сажі), що володіє раціональними характеристиками.
Існують принципово два шляхи створення таких умов:
1. Попереднє (до виходу в робочий простір печі) розкладання природного газу.
2. Розкладання природного газу безпосередньо в робочому просторі печі. Основа процесу розкладання однакова і полягає в нагріві газу до необхідної температури протягом певного часу. Відрізняються ці процеси наступним:
1) У першому випадку розкладання природного газу зазвичай здійснюється у процесах окисного піролізу, тобто в таких умовах, коли частина спалюється, а інша частина підігрівається до певної температури теплом, яке виділяється при окисленні.
2) У другому випадку газ подається однієї (або кількома) струменем в робочий простір і підігрівається в результаті поглинання тепла, яке передається елементами робочого простору. При цьому подача газу повинна здійснюватися таким чином, щоб підігрів або розкладання газу (або його частини) здійснювалися раніше, ніж його повне окислювання. На практиці навмисно затягують змішання газу з повітрям. Після виникнення дисперсної фази її подальші перетворення залежать від багатьох факторів, з яких практично головним є розмір її частинок. Чим менше частка, тим швидше вона окислюється і графітізіруется, тим коротше буде світиться частина полум'я. Порівнюючи два ці шляхи, слід віддати перевагу другому, як більш простому. Насправді, для нього не треба ні створювати якихось додаткових апаратів, що розміщуються поза печі, ні реконструювати піч. Однак ця простота позірна і оманлива. Справа в тому, що процес попереднього реформування в принципі простіше, а тому краще вивчений і краще піддається управлінню. А процес реформування в струмені вкрай складний, практично не вивчений, а тому практично некерованим. Це пояснюється тим, що полум'я являє собою сукупність складних, що протікають практично одночасно процесів. До них відносяться процеси фізичні і хімічні. Перші включають аеродинамічні і теплообмінні процеси, другі - процеси горіння, газифікації, піролізу. У полум'ї ці процеси часто невіддільні одне від одного, тому дослідження полум'я зазвичай здійснюють за одним з двох напрямків, які можуть бути визначені як наукові та промислові.
Крайня складність створення добре світиться факела в мартенівських печах, важко здійсненний на практиці дуже вузький оптимальний температурно-тимчасовий інтервал розкладання метану - все це визначило прагнення мати на печах спеціальний пристрій - реформатор, наявний поза печі і дозволяє надійно управляти реформуванням необхідного кількості природного газу. Принцип роботи реформатора наступний. У першу (нижню) пальник подається газ (або газ і мазут), який реформується, взаємодіючи з підігрітим в регенераторі повітрям. Підігрітий повітря засмоктується в реформатор внаслідок інжектується дії струменя другий (верхній) пальники, через яку подаються близько 60% газу, основний мазут і компресорний повітря. У реформатора підтримується величина коефіцієнта кисню 0,2-0,25, що за наявності підігрітого повітря дозволяє обійтися без додаткового обігріву камери реформування. Час перебування газу в реформатора не перевищує 0,6-0,7 сек. Процес реформування протікають при температурі 1050-1150С. Вихід сажі становить 90-120 г/м3. Застосування подібних реформаційних пристроїв на печах, в яких виплавляють високоякісну сталь, з використанням природного газу і сірчистих мазутів дало гарні результати. Продуктивність печей збільшилася на 5 - 7%, питома витрата палива знизився на 4,5 - 7%, стійкість головного склепіння і насадок регенераторів підвищилася на 12 - 15%.
3. Вплив продуктів розкладання природного газу на випромінювання полум'я
За певних умов розкладу природного газу (метану) в продуктах розкладання можливо одночасна присутність як сажисті вуглецю, так і проміжних продуктів розкладання, які можуть надавати різний вплив на радіаційні властивості полум'я.
Вчений Ботчер здійснив попередній нагрів газу в спеціальному подогревателе і подальше його спалювання і отримав, що максимум випромінювання спостерігали при температурі 1000 - 1150 С. Причому при подальшому підвищенні температури підігрівача випромінювання полум'я зменшувалася. Цьому ж температурному інтервалу відповідало найбільшу кількість рідких вуглеводневих сполук, що утворюються при розкладанні метану.
Подібні ж висновки зробили Руммель і Ве, причому вони висловили думку, що найбільший вплив, на випромінювання полум'я надають проміжні сполуки, які утворюються при розкладанні метану. Механізм такого впливу представлявся авторам наступним чином: у процесі дегідрогенезаціонной конденсації і окислення вуглеводневих сполук виділяється атомарний водень, що згорає поблизу поверхні частинок, поступово збагачуються вуглецем. Це призводить до підвищення температури поверхні частинок і в результаті - до більш інтенсивного випромінювання. Рідкі проміжні продукти розкладання (Гудрони) утворюються тільки в певному температурному інтервалі. Тому збільшення випромінювання полум'я при попередньому підігріві газу до тих же температур цілком природно пов'язувати саме з фактом присутності проміжних продуктів розкладання.
Однак Шак, який виконав розрахунок теплообміну сажисті частинки з навколишнього її газовою фазою, показав, що різниця температур газового потоку і частки становить не більше 1 - 2 град. Цей факт поставив під сумніви гіпотетичні припущення Руммель і Ве про причини значного впливу проміжних продуктів розкладання метану на випромінювання полум'я. Необхідно мати на увазі, що збільшення температури розкладання від 1050 до 1200? З тягне за собою збільшення вмісту водню в дисперсної фазі з одночасним збільшенням діаметра частинок. Це дуже важливий факт, так як саме збільшення діаметра частинок може бути причиною того, що в області максимального утворення проміжних продуктів розкладання (а саме вони містять водень) випромінювальна здатність полум'я максимальна.
РОЗКЛАДАННЯ ПРИРОДНОГО ГАЗУ
1. Загальна характеристика процесу піролізу метану і освіти дисперсної фази
Метан складає основу природного газу, тому закономірності процесу піролізу метану є визначальними і для процесу розкладання природного газу. У практичних умовах реформування природного газу здійснюють для виділення при піролізі метану дисперсної фази, яка значно збільшує випромінювальну здатність полум'я.
Таким чином, дисперсна фаза, зважена в газовій фазі, є тим продуктом, заради якого проводять розкладання метану, як чільної складової природного газу. Проте контролювати процес розкладання метану з дисперсної фазі надзвичайно важко. Тому його контролюють за залишковим метану або, інакше кажучи, за ступенем розкладання метану. Процес розкладання метану визначається температурою і часом. Температура, при якій проводиться піроліз, визначається рядом факторів. Головним з них при термічному піролізі метану при його постійній витраті є інтенсивність живлення системи теплом, що знаходить своє конкретне вираження у тій температурі, яку підтримують на стінах ємності, в якій відбувається розкладання. При окислювальному піролізі велике вплив на температуру процесу надає величина коефіцієнта витрати кисню.
Радіаційні властивості полум'я залежать від розміру і штучної концентрації сажисті частинок, зважених у газовій фазі. Весь газ не може одночасно досягти тієї чи іншої температури, і його окремі мікрооб'єми можуть нагріватися по-різному. Тому в продуктах розкладання поряд з проміжними продуктами присутній і сажістий вуглець.
Таким чином, освіта вуглецю йде шляхом утворення дуже великих і, можливо, нестійких молекул, що виникли в результаті полімеризації радикалів і здатні в подальшому графітизованих. Вибір на практичних умовах оптимального коефіцієнта кисню для процесу окислювального піролізу метану визначається не тільки бажаної ступенем розкладання, але і тепловими характеристиками процесу. У видатковій частині теплового балансу визначальну роль відіграють втрати тепла, що буря з реакційної зони газоподібними продуктами.
Тому доцільно вести процес реформіровнія природного газу в режимі окислювального піролізу з застосуванням збагаченого повітря або навіть чистого кисню. Природно, що зниження температури буде тим більше, чим вище значення ступеня розкладання, і тим менше, чим більше тепла містить газове середовище після завершення окислення частини метану. Тому застосування підігрітого повітря буде знижувати різницю між початковою і кінцевою температурою піролізу метану в атмосфері продуктів окислення частини метану.
При підігріванні повітря до 1100 ° С цілком прийнятним виявляється режим, коли? = 0,15, тому що дає дуже значну кількість продуктів розкладу і у великому інтервалі температур є практично самоокупним в тепловому відношенні.
Використання як палива частково реформованого природного газу для шлакоплавильной печі продуктивністю 4 т/год готової продукції, дозволяє зменшити витрату палива на 30 - 40% і скоротити час теплової обробки матеріалів. Техніко-економічні розрахунки показують, що окупність встановленого в димовому тракті печі реформатора становить менше одного року.