Способ отопления нагревательных печей

(54) СПОСОБ ОТОПЛНЫХ ПЕЧЕЙ(57) Изобретение отлургии, в частностинагревательных печриодического дейст ЕНИЯ НАГРЕВАТЕЛЬосится к черной металк способам отопления ей непрерывного и певия, и может быть исГОСУДАРСТВЕННЬЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР ПИСАНИЕ ИЗОБР К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(56) Авторское свидетельство СССМ 685901, кл, Р 27 О 19/00, 1978.Авторское свидетельство СССМ 968572, кл, Е 27 О 3/02, 1981. Изобретение относится к чернои металлургии, в частности, к способам отопления нагревательных печей непрерывного и периодического действия,и может быть использовано во всех отраслях народного хозяйства, где требуется высокоэффективное сжигание многокомпонентного топлива при обеспечении максимальной плотности потока теплового излучения продуктов сгорания и низкой концентрации оксидов азота.Известен способ отопления нагревательных печей, использующих доменный и коксовый газы, включающий стабилизацию их давления в трубопроводе смесью природного газа с техническим азотом, причем коэффициент соотношения между расходами технического и природного газов измепользовано во всех отраслях народного хозяйства, где требуется высокоэффективное сжигание многокомпонентного топлива, Целью изобретения является повышение эффективности работы печей путем обеспечения максимальной плотности потока теплового излучения продуктов сгорания и снижения концентрации оксидов азота. Способ включает подачу коксового доменного и природного газов и сжигание их в рабочем пространстве печи с изменением расходов газов в смеси. При этом коксовый и доменный газы подают в соотношении (0,01 - 1,7);1, а расход природного газа определяют в соответствии с выражением Скд=1,7(1 - Х), где Скд - соотношение объемных долей коксового и доменного газов в смеси; Х - объемная доля природного газа.5 ил., 1 табл,няют обратно пропорционально теплотвор аай ной способности общей смеси газов.Указанный способ имеет следующие не достатки. Во-первых, стабилизация теплоты О сгорания смеси тройного топлива измене- Я нием соотношения природный газ в аз не Я приводит к стабилизации калориметрической температуры продуктов сгорания и, следовательно, не стабилизирует темпера аай туру печи и плотность потока теплового излучения в ней. Более того, объединение природного газа путем введения в него азота приводит к снижению производительности печей и увеличению удельного расхода топлива при нагреве металла. Во-вторых, присутствие азота и кислорода в зоне высоких температур приводит к синтезу оксида азота, Это ухудшает экологическую обстановку в регионе, загрязняет воздушный бассейн и наносит значительный вред здоровью населения.Таким образом, известный способ отопления нагревательных печей не обеспечивает высокоэффективного сжигания топлива, снижает производительность печей, загрязняет атмосферу вредными выбросами, Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является способ отопления нагревательных печей, включающий подачу коксового газа и стабилизацию его давления в газопроводе путем подачи смеси доменного и природного газов в соотношении (0,57 - 0,69):1.Известный способ отопления нагревательных печей не позволяет повысить эффективность работы нагревательных печей за счет нестабильности химического состава топлива, разной плотности потока теплового излучения и высокой концентрации оксидов азота.Целью изобретения является повышение эффективности работы нагревательных печей путем обеспечения максимальной плотности потока теплового излучения продуктов сгорания и снижения концентрации оксидов азота, улучшение экологической обстановки в регионе нахождения высокотемпературных тепловых агрегатов, уменьшение влияния вредных выбросов на здоровье населения.Поставленная цель достигается тем, что согласно способу отопления нагревательных печей, включающему подачу коксового, доменного и природного газов и сжигание их в рабочем пространстве с изменением расходов газов в смеси, коксовый и доменный газы подают в соотношении (0,011,7):1, при этом расход природного газа определяют в соответствии с выражениемС=1,7(1 -Х),где Сд - соотношение объемных долей коксового и доменного газов в смеси;Х - объемная доля природного газа.Подача на отопление нагревательных печей коксового и доменного газов в соотношении (0,01-1,7):1 позволяет обеспечить максимальный плотности потока теплового излучения продуктов сгорания, обеспечивающие минимальные и номинальные концентрации оксидов азота в печах. Это объясняется следующим образом, При сжигании тройной смеси топлива одну и ту же температуру можно получить бесчисленным множеством соотношений. Следовательно, из бесчисленного множества вариантов можно выбирать любой и работать с ним.50 из двух видов топлива (доменного и природного).Поддержание максимальной плотностипотока теплового излучения обусловлено следующими причинами. Дело в том, что зависимость плотности теплового потока имеет вид выпуклой вверх кривой, т,е. любая кривая будет иметь максимум. Отсюда понятно, что требование максимума плотности потока теплового излучения позволит получить наиболее эффективную работу на 101520 2530 354045 Однако в данном случае мы можем получить в нагревательной печи наихудший режим, Дело в том, что, как было указано выше, при разном химическом составе топлива будет различным и состав продуктов сгорания. Значит калориметрическая температура для всех вариантов одинакова, а химический состав продуктов сгорания будет разный, Это приводит к тому, что разным будет парциальное давление углекислого газа и паровводы, а следовательно, и интегральная сте. пень черноты продуктов сгорания.Плотность потока теплового излучения по закону Стефана-Больцмана прямо пропорциональна произведению степени черноты продуктов сгорания и их температуре в четвертой степени. Таким образом, можно сделать важный вывод: при малой степени черноты продуктов сгорания и ихвысокой температуре величина плотности потока теплового излучения не будет максимальной. Однако при высокой температуре продуктов сгорания будет высокая концентрация оксидов азота. Значит для получения максимальной плотности потока теплового излучения необходимо их определенное соотношение, но при условии, чтобы температура была как можно ниже.Указанное соотношение коксового и доменного газов в количестве (0,01 - 1,7):1 позволяет получить низкие температуры сгорания, что обеспечивает низкие концентрации оксидов азота.Если соотношение расходов коксового и доменного газов более 1,7;1, то значительно возрастает температура продуктов сгорания в печи. Это приводит к увеличению концентрации оксидов азота, которые с увеличением температуры в локальныхобъемах зон горения возрастают по экспоненциальной зависимости. Одновременно с вышеуказанным параметром падает плотность потока теплового излучения продуктов сгорания вследствие уменьшения ихстепени черноты.Если соотношение расходов коксового и доменного газов менее 0,01:1, то практически исчезает доля коксового газа и тройная смесь топлива превращается в смесь5 10 и доменного газов. При этом степень черноты продуктов сгорания возрастает по сравнению с "неоптимальным" соотношением 40 45 Таким образом, сравнительный анализсвойств, проявляемых отличительными 50признаками - коксовый и доменный газыподают в соотношении (0,01 - .1,7):1 и приэтом расход природного газа определяютв соотвествии с выражением Скд =1,7(1 -Х),55 гревательной печи и максимальный коэффициент полезного действия, Снижение плотности потока теплового излучения по сравнению с максимальным значением сразу же снижает эффективность работы нагревательных печей.В смеси тройного топлива присутствует также природный газ, изменение объемной доли которого оказывает существенное вли яние на поставленную цель.В предлагаемом изобретении расход природного газа определяют в соответствии с выражениемС =1,7(1-Х),где Скд - соотношение объемных долей коксового и доменного газов в смеси;Х - объемная доля природного газа.Это позволяет поддерживать максимальную плотность потока теплового излучения продуктов сгорания. Дело в том, что увеличение объемной доли природного газа в смеси тройного топлива снижает температуру продуктов сгорания и их степень черноты. Поэтому, чтобы для заданной объемной доли природного газа получить максимальную плотность потока теплового излучения продуктов сгорания, необходимо изменить соотношение расходов коксового расходов коксового и доменного газов, Таким образом, удается получить максимум плотности потока теплового излучения продуктов сгорания на ее соответствующейкривой, хотя абсолютное значение плотности теплового потока изменится в ту илидругую сторону,Объемная доля природного газа изменяется в пределах х=0,01 - 0,99. Это обусловлено тем, что крайние пределы х=0 и х = 1 превращают тройную смесь в смесь из двух топлив (коксово-доменную) или на сжигание будет поступать только природный газ, Однако следует указать, что указанные крайние случаи укладываются в указаннуюзависимость. показал, что в предлагаемом способе повышается степень черноты газов, плотность потока теплового излучения приближается к максимальному, поддерживается на низком уровне концентрация оксидов азота в продуктах сгорания,15 20 25 На фиг,1 представлен график зависимости плотности потока теплового излучения продуктов сгорания от соотношения расходов коксового и доменного газов для различных объемных долей природного газа; на фиг.2 - график оптимальной зависимости соотношения коксового и доменного газов в зависимости от объемной доли природного газа; на фиг.3 - график изменения концентрации оксидов азота в зависимости от величины плотности потока теплового излучения продуктов сгорания для различных долей природного газа при разных соотношениях коксового и доменного газов; на фиг.4 - график изменения калориметрической температуры продуктов сгорания в зависимости от соотношения коксового и доменного газов при различных объемных долях природного газа; на фиг.5 приведена одна из схем работы устройства, реализующего способ.На фиг.1, 3 и 4 точками указаны максимальные плотности потока теплового излучения продуктов сгорания для заданной объемной доли природного газа; цифры у кривых - объемные доли природного газа в смеси тройного топлива.Для управления расходами и соотношением коксового и доменного газов используется контур, состоящий из диафрагм 1 - 3 соответственно для природного, коксового и доменного газов, исполнительных механизмов 4 и 5, регулирующих органов 6 и 7, дифманометров 8 - 10, регулятора 11 соотношения коксового и доменного газов по формулеСкд = 1,7 (1 - Х),Для измерения расхода смеси газов установлен дифманометр 12, сигнал с которого поступает на регулятор 13 и исполнительный механизм 14, регулирующий расход природного газа,Устройство рабогает следующим образом.При изменении расхода природного газа с помощью цепи 12 - 13 - 14 изменяется сигнал, поступающий с диафрагмы 1 на дифманометр 8. Дифманометр 8 выдает сигнал Х, определяющий объемную долю природного газа в общем расходе топлива, который поступает на регулятор 11 соотношения коксового и доменного газов, В регуляторе 11 реализуется зависимостьСкд=1,7 (1 - Х),На регулятор 11 с дифманометров 9 и 10 от диафрагм 2 и 3 поступают сигналы о расходах коксового и природного газов. При несовпадении расчетного по заявленному соотношению и экспериментального соотношений регулятор 11 выдает сигналы наисполнительные механизмы 4 и 5 и регулирующие органы 6 и 7, которые изменяют всоответствии с расчетным значениембкдрасходы коксового и доменного газов.Корректировки зависимости в случаеотсутствия какого-либо из газов следующие.1, Отсутствует какой-либо газ - системауправления переходит к регулированиюрасхода смеси из двух газов,А, отсутствует природный газ - отопление печи осуществляется коксово-доменнойсмесью; в этом случае корректирующие цепи через задатчик 15 отключают подачи природного . газа, а на задатчике 15устанавливают(например, вручную) соотношение между коксовым и доменным газами;если Б. отсутствует коксовый или доменныйгаз - процесс происходит аналогично указанному в п,1,А) и выходит за пределы изобретения.2, Присутствует только природный газ -закрываются регулирующие органы 6 и 7 спомощью исполнительных механизмов 4 и5; регулирование расхода природного гараосуществляется цепью 12-13-14,3. Присутствует только коксовый или доменный газ - закрываются регулирующиеорганы 14 и 6 или; регулирование расходапо данной схеме выходит за пределы изобретения.Рассмотрим реалиЗацию способа наконкретном примере. Доля природногогаза, подаваемого на горение зоавна 0,2,Расход смеси газов равен 5700 м /ч, Следовательно, расход природного газа 1140 м /ч.Остальное количество 4560 м/ч приходится на коксовый и доменный газы,.которыеможно подавать в любом соотношении.Допустим, Сд=2,0, тогда расходы коксового и доменного газов составляют 3040 и1520 м /ч соответственно. Согласно фиг.1плотность потока интегрального излучения при этом значении Сд=2,0 равнад=123 кВт/м, а температура продуктов сго 2рания ц=2230 К(фиг.4). Тогда концентрацияоксидов азота в продуктах сгоранияСвох=2000 мг/м,зСоотношение коксового и доменногогазов должно быть равноСкд:1,7 (1 - Х)=1,7 (1 - 0,2):=1,36.Тогда остальные параметры бууут соответственно равны 9=123,3 кВт/м (фиг.1);в=2210 К (фиг.4); Свох=1940 мг/м .Из расчета видно, что используя предлагаемый способ можно повысить плотность потока интегрального излучения иснизить концентрацию оксидов азота.Предлагаемый способ отопления можетбыть реализован в печах любой конструкции; нагревательных (методических, камер 5 102025 30 35 40 45 ных, термических и др.), правильных; в различных тепловых агрегатах, отапливаемых тройным топливом. Для этого можно использовать как известные конструкции систем ручного управления, так и систем с компьютерным управлением.При ручном управлении оператор получает необходимую информацию с регистрирующих аппаратов по диаграммам приборов, регистрирующих теплоту сгорания топлива, степень черноты и температуру, продуктов сгорания в тепловом агрегате. В случае отклонения от заданного соотношения смеси коксового и доменного газовоператор регулирует вышеуказанное соотношение до "вхождения" в заданные параметры. Затем с помощью номограмм и графиков определяют, какова величина плотности потока теплового излучения и температура продуктов сгорания. Если дляполучения теплового режима высокотемпературного агрегата не получены условия максимума плотности потока теплового излучения и минимально возможной температуры продуктов сгорания для этой плотности теплового потока, то оператор вводит поправки, добиваясь выполнения всех указанных требований.При работе теплового агрегата с помощью управляющей вычислительной машины в нее вводятся сигнал расходов коксового, доменного и природного газов; степень черноты, плотность потока теплового излучения и температура продуктов сгорания, При этом выдаются управляющие воздействия на изменение соотношения коксового и доменного газов при поддержании максимальной плотности теплового потока и минимально-возможной температуре продуктов сгорания для этой плотности тепло во го пото ка. Та к им образом, управляющая вычислительная машина обеспечивает повышение эффективности нагревательных печей и минимальное количество вредных выбросов оксида азота в атмосферу.Теплотехническое сравнение предлагаемого способа и известного проводилосьдля нагревательной методической печи. 50 Составы коксового, доменного и природного газов представлены в таблице,Коэффициент расхода воздуха а =1,1;температура подогрева воздуха 100 С; эффективная длина луча 1 эф=1 м.55Из фиг.1 видно, что максимум плотностей потока теплового излучения продуктов сгорания находятся в интервале соотношений коксового и доменного газов (0,01 - 1,7):1. Крайние точки, соответствующие объемным долям природного газа Х=О и Х=11717922 10 их оч Й фо ч о с к ьй юЕч ко с Ес 26 о,:ьоНбезИ 5 О Ф,2 0 меиног также показаны на фиг.1, 3 и 4, но при этих условиях не будет получаться смеси тройного топлива.При изменении расхода природного газа в смеси расходы коксового и доменноГо 5 газов определяют по соотношениюСкд=1,7 (1 - Х).Объемная доля в данном соотношении изменяется в пределах Х=0,01 - 0,99,На фиг.З показано изменение концент рации оксидов азота в зависимости от величины плотности потока теплового излучения продуктов сгорания для различных значений объемных долей природного газа, Из фиг.З видно, что переход по кривой через 15 максимум приводит к снижению плотности потока теплового излучения продуктов сгорания, но тем не менее приводит к росту концентрации оксидов азота, так как возрастает температура продуктов сгорания 20 (фиг.4). Следовательно, работа нагревательных печей рекомендуется только в заштрихованной области. По технологии нагрева необходимо обеспечивать наилучшее использование теплоты топлива, что можно 25 осуществить, обеспечивая максимальную 012 О Ф о.6 0,8янош енив консобого плотность потока теплового излучения (точ. ки на кривых фиг,З). При этом обеспечивает. ся оптимальный тепловой и температурный режимы.Экономический эффект от внедрения изобретения на нагревательной методической печи составит 284,007 тыс.руб/год. Формула изобретения Способ отопления нагревательных печей, включающий подачу коксового, доменного и природного газов и сжигание их в рабочем пространстве с изменением расходов газов в смеси, отл и ч а ю щи й с я тем, что, с целью повышения эффективности работы печей путем обеспечения максимальной плотности потока теплового излучения продуктов сгорания и снижения концентрации оксидов азота, коксовый и доменный газы подают в соотношении (0,01-1,7):1, при этом расход природного газа определяют в соответствии с выражениемС д = 1,7 (1 - Х),где Скд - соотношение объемных долей коксового и доменного газов в смеси;Х - объемная доля природного газа.,ф о,4 т Е БУ 6 МНДЯ ОЛЯ ПРИРОР НОГО ГА ЗЯ,2 О С о о гп н ЬО них коксового ГАЪОЬ оо,омен ного1717922 Корректор М. Максимишинец аказ 867 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/Б 0 рц где Коксгде ставительред М. Моргентал изводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101