Это звучит как "мечта", которая в настоящее время может быть достигнута с использованием высокоэффективных горелок и систем управления при удовлетворении действующий требований безопасности. В основу современного состояния разработки систем нагрева положен всесторонний анализ свойств атмосферы печи, который проводится средствами программ моделирования газогидродинамики CFD.

Исходные данные

Производитель стали NUCOR STEEL Inc. (США), который производит прокат различного качества и размеров, включая прутки, квадратный и листовой прокат, уголки и швеллеры на своем заводе в г. Оберн (шт. Нью-Йорк). Компания также производит специальные типы сталей различного качества и состава более чем 130 типоразмеров.

Используемый для производства материал - 100% металлический лом. Существующая печь имела производительность 50-95 т/ч. Максимальная длина заготовок была ограничена 4.6 м.

Инвестиции в новую печь

Увеличение производительности печи при уменьшении потребления топлива и желание соответствовать требованиям защиты окружающей среды были основными причинами побудившими компанию инвестировать в новую проходную печь. Новая печь отвечает этим требованиям в части уменьшения потребления энергии на тонну стали и уменьшения выбросов NOx при работе на горячем воздухе.

Новая печь оснащена системой постоянного контроля за выбросами NOx. Производительность новой печи составила 120 т/ч (рис. 1).

Проходная нагревательная печь с горелками TriOx
Рис. 1 Проходная нагревательная печь с горелками TriOx

Реализация

Фирма производитель печи FORNI INDUSTRIALI BENDOTTI S.p.A решила использовать систему прямого нагрева с центральным рекуператором. Новая печь работает на природном газе. Дополнительно к действующим экологическим требованиям печь должна удовлетворять требованиям, которые вступят в силу в ближайшем будущем.

Характеристики печи

Длина 19 м
Ширина 13 м
Производительность 120 т/ч
Подогрев воздуха центральный рекуператор
Управление горелками регулирование расхода
Длина заготовок 12 м

Конструкция печи и система нагрева разрабатывались с учетом возможного увеличения производительности печи в будущем без существенных модификаций печи.

Перед заказом горелок у Elster Hauck заказчик попросил провести теоретическое моделирование атмосферы печи. Это моделирование должно было использоваться как подтверждение правильности выбора горелок и конструкции печи. Для этого Elster Hauck провела детальный CFD анализ, который включал отдельный анализ различных зон нагрева.

Для проведения анализа был выбран программный пакет ANSYS Fluent. Данные необходимые для проведения моделирования были предоставлены производителем печи. Результаты анализа были обобщены и объединены с результатами анализа отдельных горелок и лабораторными данными.

Это дало возможность рассчитать следующие характеристики печи:

  • тепловые потоки
  • поля температур
  • поля течений
  • поля скоростей
  • выбросы NOx

По результатам анализа количество, тип и расположение горелок было определено следующим образом:

  • Общее количество горелок 22 шт.
  • Температура подогрева воздуха: 450° С
  • Тип горелок: TriOx

Расположение горелок:

  • 6 боковых горелок мощностью 3.5 МВт в нижней зоне нагрева
  • 6 боковых горелок мощностью 2.8 МВт в верхней зоне нагрева
  • 10 горелок мощностью 800 кВт в зоне копильника

Конструкция горелки в значительной степени определяет форму пламени, эффективность сжигания газа, теплопередачу и образование NOx. Горелки TriOx фирмы Elster Hauck имеют трех-ступенчатую систему подачи воздуха для обеспечения наименьшего образования NOx даже в случае высокой температуры подогрева воздуха.

Горелка TriOx
Рис. 2 Горелка TriOx

Ступенчатая подача воздуха достигается с помощью специальной конструкции корпуса горелки и использования переключающего клапана, установленного на входе горелки. Ступенчатая подача воздуха сделана так, чтобы в режиме нагрева максимально уменьшить образование оксида углерода СО и минимизировать образование NOx выше определенной температуры. В режиме запуска горелка работает в режиме "видимое пламя" при температуре в печи менее 870°С. В этом режиме пламя может контролироваться УФ-датчиком и возможно регулирование мощности горелки в пределах зоны регулирования. Режим "видимое пламя" позволяет вывести печь на рабочую температуру при минимально возможных выбросах СО.

При температуре выше 870°С подача воздуха изменяется при помощи переключающего клапана. Практически весь объем воздуха инжектируется в печь на высокой скорости и только небольшая часть воздуха образует пилотное пламя в узле смесителя, которое может контролироваться по прежнему с помощью УФ-датчика (Рис. 3). Горелка при этом работает в режиме "невидимое пламя". Конструкция горелки была разработана и оптимизирована с использованием программного комплекса ANSYS Fluent и  результатов лабораторных испытаний.

  • TriOx velocity profile.jpg
    Рис. 3 Поле скоростей горелки TriOx
  • TriOx ntvperature profile.jpg
    Рис. 4 Поле температур горелки TriOx

Оптимальное смесеобразование газа и воздуха совместно со ступенчатой подачей воздуха и высокой скоростью продуктов сгорания обеспечивает длинную зону реакции горения в печи, в которую вовлекается большая часть атмосферы печи. По сравнению с традиционными горелочными устройствами это позволяет избежать пиков температуры в зоне реакции и снизить выбросы NOx несмотря на подогрев воздуха на горение (рис. 4). Лабораторные тесты показали, что при температуре в печи 1127°С и температуре подогрева воздуха 427°С на максимальной мощности выбросы NOx составляют 34 ppm (при 3% О2).

Результаты

Новая проходная печь была запущена в эксплуатацию в апреле 2005 г.

По результатам работы печи были собраны следующие данные:

  • тип, размер, вес используемого сырья
  • производительность печи
  • температура материала при выгрузке
  • температуры в различных зонах печи
  • расход газа и воздуха для каждой зоны
  • выбросы СО, NOх

Технологические показатели для полной загрузки печи приведены в таблице ниже.

Технологические показатели
Производительность печи 140 т/ч
Теплотворная способность газа 11.3 кВт/м3
Общий расход газа 3160 м3
Тепловая мощность печи 35606 кВт
Температура подогрева воздуха 442°С
Температура продуктов сгорания 785°С
Температура материала при выгрузке 1100°С
Коэффициент избытка воздуха 5.0%


Профиль распределение температуры по длине печи был получен для определения температур на поверхности и внутри заготовок (рис. 5). Температуры на поверхности и внутри заготовок была расчитана на основании этого профиля с помощью соответствующего ПО.

  • Профиль температур заготовок
    Рис. 5 Профиль температур заготовок
  • Поле температур печи
    Рис. 6 Поле температур печи

Нагрев заготовок происходит плавно со скоростью 10 град/мин в середине зоны нагрева и 2.5 град/мин в зоне копильника. Это указывает на хорошую теплопередачу и распределение температуры в печи достигнутое при новой конструкции печи. Производительность печи в 140 т/ч достижима, хотя печь первоначально проектировалась из расчета 120 т/ч.

Точное распределение температуры в печи было расчитано с помощью программного пакета ANSYS Fluent.

На рис. 6 показано распределение температуры в горизонтальной плоскости по центру горелок в зоне нагрева (показано распределение температуры для половины печи. Горелки работают в режиме "невидимое пламя". Видно что зоны с высокой температурой есть только в горелочном камне и занимают небольшой объем и непродолжительное время. Это позволяет получить очень низкие выбросы NOx.

Приблизительное распределение температуры в зоне горелки показано на основании расчетов для одной горелки. Результаты моделирования для одиночной горелки были подтверждены лабораторными тестами. Равномерность распределения температуры по ширине печи получена очень хорошая. Небольшое влияние зоны копильника на движение продуктов сгорания (небольшое искривление справа налево) было также получено при моделировании.

Равномерность прогрева заготовок и качество получаемого проката подтверждают результаты анализа с помощью пакета Fluent. Теплота с подогретым воздухом (темп подогрева до 442°С) достигла 12.2% от общего количества подводимого к печи тепла. Потери через стены печи очень незначительны, менее 1% от подводимого тепла. В общем, конструкция печи была полностью удачной, в особенности если принять во внимание, что тепло поглощенное материалом достигло 75% от теплоты сгорания газа или 66% от общего количества подводимого тепла. В дополнение, потребление газа 255 кВт/т получилось ниже, чем планируемое значение в проекте на уровне 293 кВт/т. Выбросы зафиксированные системой постоянного контроля за выбросами NOx были значительно ниже допустимых на протяжении всех этапов производства. Это относится как к холодному старту печи, так и к различным режимам работы с производительностью 60-140 т/ч.

На максимальной производительности 140 т/ч и температуре подогрева воздуха 427°С выбросы NOx составили менее 73 мг/м3. На минимальной производительности 60 т/ч и температуре подогрева воздуха выбросы NOx составили менее 63 мг/м3. Выбросы СО были практически равны нулю.

Тепловой баланс печи рассчитанный на основе собранных данных приведен в таблице 2.

Тепловой баланс печи
Вход % Выход %
Теплота от сгорания топлива 35606 кВт 87.8 Теплота с материалом 26704 кВт 65.8
Теплота с подогретым воздухом 4948 кВт 12.2 Теплота с продуктами сгорания 11712 кВт 28.9
Потери тепла через стены печи 323 кВт 0.8

Теплота с охлаждающей водой 1815 кВт 4.5
Всего 40554 кВт 100 Всего 40554 кВт 100


Перспектива

Постоянно увеличивающаяся цена на энергоносители и материалы совместно с усиливающейся конкуренцией есть два фактора, с которыми вынуждены сталкиваться производители стали и эта ситуация будет только усугубляться в будущем. Используя пример представленный NUCOR Steel можно увидеть, что кооперация между заинтересованными участниками может давать требуемый результат. Использование современных горелок с низким образованием NOx приводит к ситуации когда возможно выполнение не только действующих экологических норм, но и требований которые вступят в ближайшем будущем.

Инвестиции в новые технологии обеспечат производителей стали конкурентоспособность в долгосрочной перспективе на жестком конкурентном рынке. 

  



Назад

Свяжитесь с нами

Позвоните нам по номеру телефона 8 (831) 212-44-77 или Оставьте заявку