Тренажер «Газовщик доменной печи»

Цель: Компьютерная программа «Тренажер газовщика доменной печи» относится к классу симуляторов и моделирует управление блоком воздухонагревателей доменной печи.

Аннотация: Для достижения максимальной эффективности работы доменной печи необходимо организовать безаварийную эксплуатацию всех агрегатов, входящих в ее производственный комплекс. Одним из ключевых агрегатов комплекса является блок регенеративных воздухонагревателей. Воздухонагреватели во многом определяют экономику доменного производства, т. к. повышение температуры доменного дутья приводит к сокращению расхода кокса и к росту производительности печей.

Уровень достигаемых температур нагрева дутья и межремонтный срок службы воздухонагревателей определяются их конструкцией и соблюдением режима эксплуатации. Полный рабочий период регенеративных воздухонагревателей состоит из двух рабочих циклов:

• цикл нагрева насадки (газовый период), когда продукты горения отопительного газа, проходя через насадку, нагревают её;
• цикл нагрева дутья (дутьевой период), когда холодное дутьё подается в разогретую насадку и, проходя через неё, нагревается. Насадка при этом охлаждается.

Блок-схема, разработанная для визуализации работы блока воздухонагревателей, включает следующие этапы:

• Выбор количества воздухонагревателей работающих в системе;
• Постановка воздухонагревателя на дутьё;
• Постановка воздухонагревателя на «газ» (нагрев).

Современное доменное производство предъявляет высокие требования к количественным и качественным показателям горячего дутья доменных печей. Интенсификация доменного производства не возможна без повышения температуры горячего дутья. Существующие доменные воздухонагреватели нагревают горячее дутьё до температуры 1100 – 1200 0С. Существенное увеличение этого показателя возможно при использовании новых типов воздухонагревателей и новых материалов насадок. В частности, предлагается использование насыпной насадки из корундовых шаров и совершенствование технологических операций по переключению режимов работы нагревателей.

Помимо увеличения температуры горячего дутья необходимо повышать стабильность его подачи и поддержание температуры на заданном уровне – даже незначительные колебания температуры могут вызвать расстройство ровного хода печи. Необходимо исключить влияние человеческого фактора, для этого требуется квалифицированная подготовка персонала. Использование современных интерактивных технологий позволяет повысить профессиональные навыки персонала.

Интенсификация доменного процесса

Высокая степень интенсификации доменного производства невозможна без повышения стабильности доменного процесса во всех его стадиях. В первую очередь это касается постоянства всех параметров дутья, поступающего в печь. В настоящее время актуальной стала проблема рационального использования энергоносителей в связи с их высокой стоимостью. Применительно к доменным воздухонагревателям это касается расхода природного газа, используемого в качестве топлива в горелках для нагрева насадки воздухонагревателей, а также повышение коэффициента полезного действия воздухонагревателей.

Доменное производство требует большого расхода воздуха, примерно 2 т/т чугуна. Воздух подается воздуходувками и нагревается в воздухонагревателях регенеративного типа. Каждая доменная печь имеет 3-4 воздухонагревателя. Один из них обычно находится «на дутье», т.е. нагревает дутье, которое проходит через нагреватель, а остальные находятся «на газе», т.е. нагреваются продуктами сжигания газообразного топлива.

В различных вариантах комбинированного дутья для доменных печей (увлажненное дутье, паро-кислородо - воздушное дутье, вдувание природного, коксового газов) компоненты дутья должны быть в таких соотношениях, чтобы тепловое состояние горна поддерживалось на одном и том же уровне, обеспечивающем ровный сход шихты и максимальную производительность печи.

Поскольку холодный природный газ, жидкое топливо, угольная пыль в пирометрическом отношении оказываются хуже, чем нагретый кокс, то дефицит тепла в горне должен покрываться за счет дополнительного нагрева дутья или применения дутья обогащенного кислородом. В конечном счете, максимально возможная экономия кокса может быть получена при наличии высокого подогрева доменного дутья.

Необходимость нагрева воздуха до 1000-1100 OС и более способствовала возникновению ряда проблем. Одни проблемы относятся целиком к конструкции воздухонагревательных аппаратов (увеличение поверхности нагрева воздухонагревателей, увеличение мощности газовых горелок, усиление элементов тракта подачи горячего дутья, усовершенствование средств теплотехнического контроля и автоматического регулирования теплового режима); другие к подбору режимов, обеспечивающих максимальное использование тепловой мощности воздухонагревателей.

Анализ режимов работы воздухонагревателей

Для непрерывного снабжения доменной печи дутьем необходимо минимум два воздухонагревателя. Обычно для одной печи сооружают блок из трех-четырех аппаратов, которые поочередно нагревают дутье.

Существует четыре режима дутья: последовательный, параллельный, попарно - параллельный и смешанный. Наиболее распространенным режимом работы воздухонагревателей в период дутья является последовательный, то есть когда воздухонагреватели поочередно, один за другим, становятся на дутье.

Возможен смешанный режим, когда сочетаются последовательный и попарно - параллельный. При этом режиме воздухонагреватель часть периода стоит на дутье один, постоянство температуры дутья поддерживается смесителем. Часть периода воздухонагреватели работают в паре, температура дутья стабилизируется за счет перераспределения его между горячим и теплым аппаратами. Также возможен параллельный режим, когда в работе находится два воздухонагревателя, а два на нагреве.

Однако наиболее эффективным режимом нагрева дутья, позволяющим достичь экономически выгодного уровня нагрева, считается попарно-параллельный. При этом режиме работы стабилизация температуры горячего дутья достигается смешиванием дутья, поступающего из одного (более нагретого) воздухонагревателя и из второго (менее нагретого), который при обычной (т.е. последовательной) работе воздухонагревателей следовало бы поставить на нагрев насадки.

На рисунке 1 приведены графики работы воздухонагревателей в обычном (А) и попарно-параллельном (Б) режимах. Через горячий нагреватель проходит только часть дутья. Остальное дутье проходит через менее нагретый воздухонагреватель. По мере охлаждения воздухонагревателей расход дутья через «горячий» воздухонагреватель увеличивается, а через менее нагретый уменьшается с таким расчетом, чтобы при смешивании двух потоков дутья в доменную печь поступало дутье с постоянной температурой. К тому времени, когда почти все дутье будет нагреваться только в «горячем» воздухонагревателе, менее нагретый переводится на нагрев насадки, а воздухонагреватель, который до этого грелся, переводится на нагрев дутья. Добавка холодного дутья через смесительный клапан отпадает.

А) обычный (последовательный) режим работы;Б) попарно - параллельный режим работы;
а - период «на газе»; б - период «на дутье».

Рисунок 1 - суточный график работы доменных воздухонагревателей

Предложенный режим позволяет экономить расход кокса, что очень актуально в настоящее время, как с экологической, так и с экономической позиции.

Совершенствование режимов работы воздухонагревателей

Мероприятия по подготовке шихты и вдувание различных реагентов в горн доменной печи наиболее эффективны при повышении нагрева доменного дутья. Так, на опытной доменной печи Горного бюро США [4] повышение температуры дутья с 980 до 1400 0С обеспечило повышение производительности при вдувании природного газа на 23,5 %, при увлажнении дутья на 26,4 %, при вдувании природного газа и обогащении дутья кислородом на 39,2 %; удельный расход кокса при вдувании природного газа без обогащения дутья кислородом снизился на 29 %.

Для повышения нагрева дутья необходимо увеличение тепловой мощности воздухонагревателей, которая определяется их КПД и количеством сжигаемого газа. В свою очередь КПД воздухонагревателей зависит от разности температур продуктов горения под куполом и под насадкой. Температура под куполом может быть повышена при уменьшении коэффициента избытка воздуха горения, благодаря чему уменьшается унос тепла продуктами горения (если это не сопровождается недожогом топлива), а также при подогреве газа или воздуха горения путем использования части горячего дутья. Добавление к воздуху горения около половины горячего дутья позволяет повысить температуру дутья с 800 до 1200 0С; однако расход дутья при этом повышается примерно на 15 % и соответственно должна быть увеличена производительность воздуходувной машины.

Подогрев воздуха горения до 600 0С в рекуператорах, обогреваемых газами, отходящими из воздухонагревателей, позволяет повысить температуру горения приблизительно на 400 на каждые 1000 подогрева газа или воздуха.
Повышение температуры дутья может быть достигнуто также путем сокращения периода нагрева дутья. Это, однако, связано с более частыми перекидками клапанов и увеличением относительного времени их перекидки, в течение которого приходится прекращать нагрев соответствующего воздухонагревателя. Чтобы при этом не снижалась тепловая мощность, необходимо ускорить перекидку клапанов.

Нагрев дутья можно увеличить также при помощи подогрева холодного дутья, добавляемого к горячему дутью через специальный клапан для стабилизации его температуры. Этот способ эквивалентен увеличению поверхности нагрева воздухонагревателей.

Также нагрев дутья можно повысить путем применения попарно-параллельной работы воздухонагревателей [3], при которой стабилизация температуры горячего достигается смешиванием дутья, поступающего из одного (более нагретого) воздухонагревателя и из второго (менее нагретого), который при обычной (т.е. последовательной) работе следовало бы поставить на нагрев насадки.

Если не ставится задача повышения нагрева дутья, то попарно-параллельная работа воздухонагревателей позволяет при одном и том же весе (массе) насадки увеличить съем тепла благодаря повышению примерно вдвое перепада температуры насадки без увеличения ее максимальной температуры нагрева. При наличии четырех воздухонагревателей при попарно-параллельной работе на нагреве насадки находятся одновременно два воздухонагревателя, а при обычной (последовательной) работе - три. В соответствии с этим в первом случае необходим более интенсивный нагрев насадки примерно в полтора раза. КПД воздухонагревателей при попарно-параллельной работе повышается в среднем на 5-6 %, т.к. возрастают коэффициенты теплопередачи благодаря более интенсивному нагреву насадки и большей разнице температур греющего газа и насадки в начале ее нагрева (рисунок 2).

(ТI-TIV) при обычной (А)
и попарно-параллельной (Б) работе.

Рисунок 2 - Изменение температуры дутья на выходе из четырех воздухонагревателей

При такой работе воздухонагревателей необходима более высокая производительность газовых горелок и повышение напора газа и воздуха горения в связи с повышением сопротивления насадки. Однако это не вызывает затруднений, т.к. при вдувании реагентов и обогащении дутья кислородом расход дутья снижается и в мощности имеющихся воздуходувок, а также в тепловой мощности воздухонагревателей создается некоторый резерв.

При попарно-параллельной работе частота и продолжительность переключения клапанов не изменяются, но отрицательное влияние длительности паузы на тепловую мощность воздухонагревателей увеличивается. Поэтому следует ускорять перекидку клапанов, иначе попарно-параллельная работа может оказаться неэффективной.

Однако, как показали исследования [3], при длительности периодов нагрева и охлаждения насадки воздухонагревателей доменной печи объемом 2000 м3 по 4 ч количество тепла, усвоенного насадкой, осталось практически таким же, как при длительности периода нагрева 2,5 ч. Отсюда следует, что при попарно-параллельном режиме воздухонагреватели могут работать с более длинными периодами. Увеличение периода нагрева дутья позволяет уменьшить число смен давлений горячего дутья, возникающих при постановке «горячего» воздухонагревателя «на дутье».

Такая схема работы клапанов осуществлена на Косогорском металлургическом заводе [5]. Два воздухонагревателя находятся на нагреве дутья - «горячий» и «теплый» (рисунок 3), а остальные два - на нагреве насадки.

А - термопара; б - потенциометр; в - регулятор; ИМ - исполнительный механизм; РК - регулирующий клапан; КХД - клапан холодного дутья.

Рисунок 3 - Схема попарно-параллельной работы четырех воздухонагревателей.

«Теплый» воздухонагреватель находится на нагреве дутья до тех пор, пока датчик температуры дутья не даст сигнал о готовности этого воздухонагревателя к переводу «на газ». Когда «горячий» воздухонагреватель переводится на нагрев дутья, его клапан, регулирующий расход холодного дутья, почти закрыт и большая часть дутья проходит через «теплый» воздухонагреватель (рисунок 3). По мере охлаждения «теплого» воздухонагревателя клапан «горячего» воздухонагревателя постепенно открывается. Когда этот клапан полностью открывается, клапан «теплого» воздухонагревателя автоматически начинает закрываться.

Периоды работы воздухонагревателей «на дутье» и «на газе» равны между собой и в среднем составляют 105 мин. При переходе на попарно-параллельную работу была использована имеющаяся резервная мощность горелок.

Перевод четырех воздухонагревателей на попарно-параллельную работу без конструктивных изменений позволяет отказаться от добавления холодного дутья для стабилизации температуры горячего дутья; повысить температуру горячего дутья, приблизив ее к температуре купола (так как ее изменение за период работы «на дутье» при той же продолжительности этого периода уменьшается на половину), увеличить период нагрева дутья, уменьшив тем самым число перекидок, и повысить стойкость футеровки трубопровода горячего дутья.

Оборудование тракта дутья в значительной степени влияет на основные технологические параметры доменного дутья и, следовательно, на технико-экономические показатели доменной плавки.

Тракт дутья современных доменных печей выполняет несколько функций:

• подвод дутья к воздухонагревателям;
• стабилизация температуры горячего дутья;
• стабилизация влажности дутья;
• охлаждение футеровки высоконагретых зон воздухонагревателей.

Тракт дутья оборудован клапанами, предназначенными изменять режим работы воздухонагревателей, а также расход дутья, поступающего в печь и добавляемого к горячему дутью для стабилизации его температуры. Эти клапаны можно разделить на две группы:

1. клапаны, имеющие при нормальной работе только крайние положения: «открыт» - «закрыт» - основной и перепускной клапаны холодного дутья, предохранительный клапан на смесительном трубопроводе и отсечные клапаны на трубопроводах, подводящих холодный воздух для охлаждения купола воздухонагревателя;
2. клапаны, плавно изменяющие свое положение, - воздушно-разгрузочный, дроссельный смесительный, регулирующие клапаны, обеспечивающие распределение дутья между двумя воздухонагревателям при попарно-параллельной работе, а также клапаны, регулирующие расход воздуха для охлаждения купола воздухонагревателя.

Для стабильности температуры горячего дутья, поступающего в доменную печь, решающее значение имеет работа дроссельных смесительных клапанов и их конструктивные размеры. Проходные сечения этих клапанов зависят от расхода холодного дутья, добавляемого к горячему, для стабилизации его температуры. Этот расход в свою очередь зависит от общего расхода дутья и предела практикуемого снижения температуры горячего дутья, поступающего в печь, по сравнению с максимальной температурой дутья, выходящего из воздухонагревателя. Перепад температуры дутья в начале и в конце периода работы воздухонагревателя «на дутье» составляет 150-250 0С. Этот перепад снижается с уменьшением длительности цикла работы воздухонагревателя, веса насадки и поверхности нагрева воздухонагревателя.

Повышение температуры горячего дутья привело к уменьшению количества холодного воздуха, проходящего через смесительный клапан. В современных условиях следует ожидать дальнейшего сокращения количества холодного воздуха, необходимого для стабилизации температуры горячего дутья, так как при работе на высоконагретом комбинированном дутье и хорошо подготовленной шихте нельзя ожидать значительного снижения температуры дутья в целях регулирования хода печи, как это практиковалось ранее.

В результате этого типовые смесительные клапаны большого диаметра работают с очень малым углом поворота дроссельных заслонок (10-150). При этом даже небольшое перемещение заслонки вызывает значительное изменение проходного сечения клапана и, следовательно, чрезмерное изменение количества холодного воздуха, поступающего в трубопровод горячего дутья. Это приводит к колебаниям температуры дутья в больших пределах, что отрицательно сказывается на ходе доменной печи и ее производительности.

Расположение смесительного клапана за воздухонагревателями в торце трубы горячего дутья неблагоприятно сказывается на стойкости ее футеровки и клапанов горячего дутья. Вызывая значительные колебания температуры дутья.
Расположение смесительного клапана между воздухонагревателями и печью снижает колебания температуры футеровки трубопровода горячего дутья и тепловые нагрузки на элементы клапана, повышая их стойкость. Но в этом случае из-за малого расстояния до кольцевой трубы горячее и холодное дутье смешивается плохо. Холодное дутье идет снизу, а горячее - сверху, вследствие чего температура дутья в фурмах повышается по мере удаления их от ввода дутья в кольцевую трубу. Разность температур доходит до 15000. Смешение горячего и холодного дутья улучшают, делая футеровку трубопровода горячего дутья между печью и воздухонагревателями с винтообразным гребнем или сужение Вентури.
Часто смесительный трубопровод подключают к трубопроводу горячего дутья при помощи двух тангенциальных патрубков. Так, в США холодное дутье вводят в горячее дутье по схеме «труба в трубе». По внутренней трубе идет горячее дутье. Она имеет по окружности смесительной камеры несколько отверстий, в основном в верхней части.

При попарно - параллельной работе воздухонагревателей температуру дутья стабилизируют, смешивая дутье, поступающее из более и менее нагретого воздухонагревателей. Рядом с отсечными клапанами холодного дутья устанавливают клапаны для регулирования расхода дутья, проходящего через воздухонагреватель. Перевод четырех воздухонагревателей на попарно-параллельную работу без конструктивных изменений позволяет отказаться от добавления холодного дутья для стабилизации температуры горячего дутья; повысить температуру горячего дутья, приблизив ее к температуре купола (так как ее изменение за период работы «на дутье» при той же продолжительности этого периода уменьшается наполовину), увеличить период нагрева дутья, повысить КПД воздухонагревателей. Поэтому при такой схеме тракта все же необходимо сохранить участок смесительного трубопровода на случай выхода из строя одного из воздухонагревателей. Обеспечение попарно-параллельной работы при наличии трех воздухонагревателей вызывает большие затруднения и не всегда дает положительный теплотехнический эффект.

В США холодное дутье для стабилизации температуры горячего дутья подводят в некоторых случаях в штуцера клапанов горячего дутья, что снижает температуру дутья, выходящего из воздухонагревателя, до уровня заданной и устраняет ее колебания.

На одном из заводов Венгрии осуществлена схема тракта с подводом холодного воздуха под купол воздухонагревателя через кладку купола. Воздух подается либо от вентилятора газовой горелки, либо из коллектора холодного дутья. Количество его регулируется специальным клапаном. Достоинство этой схемы заключается в снижении температуры кладки купола воздухонагревателя. Добавка холодного дутья снижает колебания тепловой нагрузки на футеровку трубопровода и клапан горячего дутья, что повышает их стойкость.

Конструкция доменного воздухонагревателя

Доменный воздухонагреватель — автономный высокотемпературный теплообменник регенеративного типа. Каждая доменная печь оснащена тремя — четырьмя воздухонагревателями, образующих единый блок, основной функцией которого является нагрев доменного дутья требуемого количества, заданной температуры и определённого давления. В настоящее время обычными значениями этих параметров являются: количество дутья — до 500000 м3/ч; температура дутья — до 1350 °С и выше; давление дутья до 0,5 МПа. Эти значения непосредственно связаны с объёмом печи.

Техническая характеристика воздухонагревателей для доменных печей объёмом 3000—3200 м3: температура горячего дутья 1200 °С, избыточное давление дутья на фурмах — 410 кПа, поверхность нагрева воздухонагревателя 55560 м2, поверхность нагрева на 1 м3 объёма печи 69,0 м2, то же, на 1м3 насадки 32,2 м2. Сечение камеры насадки — 42,2 м2, камеры горения — 6,03 м2. Высота — 50-55 м, наружный диаметр 9-13 м.

Воздухонагреватель (рисунок 7) состоит из днища с огнеупорной кладкой; опорных поднасадочных колонн, поднасадочной решётки, насадки, разграничи¬тельной стенки, отделяющей насадочное пространство от камеры горения; камеры горения; подкупольного пространства; кожуха с огнеупорной кладкой .

Воздухонагреватель работает в циклическом режиме: разогрев — охлаждение («на дутье»). Во время разогрева воздухонагреватель отсоединяется от трубопроводов холодного и горячего дутья и подсоединяется к газопроводу чистого доменного газа и через штуцеры дымовых клапанов 13 к дымовому борову. Подведённый к воздухонагревателю очищенный доменный газ подаётся в камеру горения газовой горелкой совместно с воздухом. Продукты сгорания поднимаются вверх под купол, где происходит их полное сгорание. Далее продукты сгорания идут вниз через каналы насадки. Отдавая насадке тепло, они охлаждаются до 300— 400 °С и отводятся через дымовые клапаны в боров к дымовой трубе. После нагрева насадки воздухонагреватель отсоединяют от трубопровода доменного газа, закрывают штуцер горелки и дымовые клапаны. Через поднасадочное пространство, насадку и камеру горения подаётся воздух, который через клапан горячего дутья направляется в воздуховод горячего дутья и далее — в доменную печь.

После охлаждения насадки воздухонагреватель вновь переводят на режим нагрева. Непрерывность подачи горячего дутья обеспечивается последовательной заменой охлаждённого воздухонагревателя разогретым. Работа блока воздухонагревателей рассчитана на попарно-параллельный или последовательные режимы.

Дымовые газы перед входом в трубу нагревают масло, которое перекачивают в теплообменник для нагрева газа и воздуха. При среднем температуре отходящих газов 330 °С температура подогрева газа и воздуха со¬ставляет 200-220 °С.
Повышение температуры дутья и увеличение удельной поверхности нагрева воздухонагревателя потребовали увеличения мощности газовых горелок. Горелки типа «труба в трубе» при больших нагрузках не обеспечивают устойчивого горения газа, имеют место пульсации газа. Поэтому их стали заменять на керамические горелки с мощностью по воздуху до 200000 м3/ч. Они повышают тепловую мощность воздухонагревателя на 10—15%, устанавливаются в донной части камеры горения и не имеют шибера между воздухонагревателями и горелкой.