image
energas.ru

Газовая промышленность № 3 2017

Новые технологии и оборудование

01.03.2017 11:00 ОСОБЕННОСТИ СЖИГАНИЯ ГАЗА ПРИ ПЛАВКЕ ЧУГУНА
В статье представлены оптимальные режимы сжигания газа при плавке чугуна. Приведены результаты исследований особенностей сжигания газа при плавке чугуна в газовых вагранках, что имеет большое значение для расширения использования в литейном производстве более экологичного, чем кокс, природного газа. Экспериментально доказано, что оптимальным с точки зрения получения максимальной температуры является процесс с некоторым недостатком воздуха, т. е. при α = 0,98.
Ключевые слова: СЖИГАНИЕ ГАЗА, ПЛАВКА ЧУГУНА, ГАЗОВАЯ ВАГРАНКА, УГЛЕВОДОРОДЫ, ТЕМПЕРАТУРА СГОРАНИЯ.
Открыть PDF


Важнейшим условием получения высокой температуры металла является правильная организация процесса сжигания газа. Природный газ является смесью углеводородных газов и содержит в основном метан 80–95 %, этан 1–4 %, а также пропан, бутан, пентан и высшие углеводороды в незначительных количествах.  Кроме того, в нем могут содержаться углекислый газ и азот. При сжигании природного газа можно получить температуру газов, достаточную для перегрева жидкого чугуна до 1450–1550 °С.

Температуру продуктов сгорания определяют по формуле:

1.png,

где tД – действительная температура продуктов сгорания, °С; Qpн– низшая теплотворная способность природного газа, кДж/нм3; Qдисс– потери тепла на диссоциацию продуктов сгорания, кДж/нм3; Vi – объем i-го компонента продуктов сгорания,
нм3/нм3; Ci – теплоемкость i-го компонента продуктов сгорания, кДж/нм3 · град (ккал/нм3 · град); hпир – пирометрический коэффициент; Qpн, Vi, Ci определяются составом природного газа.

Величина hпир определяется конструктивными размерами топочного пространства и оказывает значительное влияние на температуру продуктов сгорания.

Потери тепла на диссоциацию продуктов сгорания Qдисс понижают температуру продуктов сгорания, но сами, в свою очередь, зависят от температуры. Почти во всех промышленных печах температура газов редко превышает 1300–1500 °С, поэтому процессы диссоциации обычно не принимаются во внимание. Для перегрева чугуна в газовых вагранках необходима температура газов около 1700 °С.

Экспериментальное доказательство возможности получения в газовой вагранке конструкции автора температуры продуктов сгорания примерно 1730–1770 °С и наличия при этой температуре процессов диссоциации было сделано ранее [1–3]. В данной статье описан термодинамический анализ процессов диссоциации при сжигании газа и многосопловой горелочной системе.

Продуктами полного сгорания природного газа являются углекислый газ и вода. В области слабой диссоциации имеют место следующие реакции диссоциации:

2CO2 2CO + O2 Q1(+∆H1),             (1)

2H2O  2H2 + O2 Q2(+∆H2),              (2)

H2+CO2  H2O + CO Q3(+∆H3).        (3)

Все реакции идут с поглощением тепла (–Q) и увеличением энтальпии реагирующей смеси (+∆H).

Приращения энтальпии, соответственно, равны +∆H0(2) = 566 350 Дж, +∆H0(3) = 40 840 Дж.

О возможности и полноте протекания реакций диссоциации можно судить по величине изобарного термодинамического потенциала ∆G0 образования CO2 и H2O и по величине степени диссоциации a, которая выражает отношение числа распавшихся молей данного компонента к первоначальному, исходному числу молей.

В табл. 1 приводятся характеристики прочности CO2 и H2O.

Относительно высокое значение ∆G0 в низкотемпературной области свидетельствует о значительном химическом родстве углерода и водорода к кислороду при низких температурах. Это подтверждается тем, что значения степени диссоциации продуктов сгорания очень низки, а при температурах около 2000 К степень диссоциации имеет бόльшую величину. При температуре 2000 К процессы диссоциации оказывают значительное влияние на состав и свойства продуктов сгорания и на их температуру, что, в свою очередь, определяет теплотехнические и металлургические особенности плавки чугуна. Для характеристики окислительных свойств атмосферы можно привлечь величину кислородного потенциала p = RT lnp02.

Значения кислородного потенциала, а также значения парциального давления кислорода для атмосферы, состоящей из СО2, СО и О2, при р = 0,1 МПа приведены в табл. 2.

Увеличение p02 и p0 с увеличением температуры свидетельствует об усилении окислительных свойств атмосферы. Таким образом, развитие процессов диссоциации может привести к нежелательному увеличению угаров элементов в чугуне. Вторым важным следствием процессов диссоциации является относительное понижение температуры продуктов сгорания.

Расчеты показывают, что при высоких температурах (2000 К) потери тепла на диссоциацию и вызванное этим понижение температуры являются ощутимыми. Для выяснения степени влияния режимных факторов – коэффициента расхода воздуха и скорости выхода газовоздушной смеси (ГВС) – на температуру и состав газовой фазы было проведено несколько серий опытов:

1-я серия – на газовой вагранке производительностью 3 т/ч при расходе газа 330 нм3/ч и коэффициентах расхода воздуха a = 0,95; 0,98; 1,00; 1,02; 1,05 были произведены замеры температуры и состава газов в камере перегрева при незагруженной и загруженной шахтах. Газовая вагранка в этой серии опытов имела 29 сопел диаметром 30 мм. Скорость выхода ГВС составляла 49,2 нм/с при a = 1;

2-я серия – на газовой вагранке производительностью 7–10 т/ч при расходе газа 600 нм3/ч и коэффициентах расхода воздуха a = 0,95; 0,98; 1,02; 1,05 были произведены замеры температуры и состава газов в камере перегрева при незагруженной и загруженной шахте. Газовая вагранка в этой серии опытов имела 53 сопла диаметром 30 мм. Скорость выхода ГВС при a = 1 составляла 49,2 нм/с;

3-я серия – на газовой вагранке производительностью 7–10 т/ч при расходах газа 300–1200 нм3/ч при незагруженной шахте производились замеры температур в камере перегрева. Газовая вагранка имела в этой серии опытов 53 сопла диаметром 25 мм. Коэффициент расхода воздуха поддерживался постоянным a = 0,98;

4-я серия – на газовых вагранках производительностью 3 и 7–10 т/ч во время работы вагранки при различных количествах и диаметрах сопел производились замеры температуры газов в камере перегрева при различных расходах газа. Коэффициент расхода воздуха поддерживался в пределах a = 0,98–1,02.

Во всех сериях опытов температура замерялась вольфрам-молибденовыми термопарами, оснащенными специальной арматурой с защитными чехлами из оксида алюминия.

Пробы газа отбирались путем быстрого пропускания газов под давлением в печи через газоотборную трубку. Это обеспечивает быстрое их попадание в охлаждаемую часть трубки, где фиксируется состав газа. При сильном нагреве трубки ее охлаждали водой или воздухом. Однако, как показал опыт, при быстром пропускании и дальнейшем отборе одной порции газов трубка не перегревается.

Результаты первой серии опытов по выявлению зависимости температуры газов в камере перегрева от a представлены в табл. 3 и кривыми 1 и 2 на рис. 1. Эти кривые построены по результатам замеров, приведенных в табл. 3, и по результатам замера температуры газов в камере перегрева при a = 0,9; 1,1.

Из приведенных данных видно, что максимальная температура газов при работе вагранки на холостом ходу наблюдается при a = 0,98.

Анализ продуктов сгорания в камере перегрева при различных a, приведенных в табл. 3, показывает, что с увеличением коэффициента расхода воздуха увеличивается содержание кислорода в продуктах сгорания и уменьшается содержание СО и Н2; содержание СО2 при повышении a до 1,0 повышается, а затем падает. Максимальное содержание СО2 при 1705 °С равно 11,5 %, тогда как по расчетам СО2max – 11,7–11,96 %.

Результаты второй серии опытов приведены в табл. 4. Характер изменения температуры в зависимости от коэффициента расхода воздуха такой же, как и для газовой вагранки производительностью 3 т/ч, а величина температур несколько больше, что объясняется относительно меньшими потерями тепла.

Можно также отметить, что в интервале значений a от 0,98 до 1,02 температура газов изменяется незначительно, что создает благоприятные условия для работы при небольших колебаниях расхода воздуха. Однако с увеличением a возрастает окислительная способность газовой фазы печи.

Результаты третьей серии опытов приведены на рис. 2 (кривая 1). Из приведенных данных видно, что с повышением скорости выхода ГВС повышается температура газов в камере перегрева. Характер изменения температуры в зависимости от скорости выхода ГВС различен. При сжигании смеси со скоростью выхода ее из сопел в интервале 75–115 нм/с достигается постоянная высокая температура продуктов сгорания.

Для определения максимальной температуры было проведено дополнительное исследование зависимости температуры газов от коэффициента расхода воздуха, которое проводилось при расходе газа 850 нм3/ч и a = 0,95; 0,98; 1,00; 1,02 и 1,05. Скорость выхода ГВС соответствовала абсциссе максимума температуры кривой 1 на рис. 3. Из приведенных данных следует, что максимальная температура 1750 °С наблюдается при a = 0,98. Высокая температура газов и плавный характер ее изменения в широком интервале скоростей выхода смеси из сопел многосопловой горелочной системы объясняются влиянием скорости выхода смеси на длину факела. С одной стороны, она является фактором, укорачивающим факел за счет увеличения турбулентности потока. С другой – увеличение скорости естественно вызывает относительное вытягивание всех зон факела путем ускорения чисто физического переноса частиц в направлении потока. Увеличение температуры в камере перегрева с увеличением скорости выхода ГВС является следствием уменьшения длины факела, вызванного увеличением турбулентности потока.

Итак, в результате третьей серии опытов установлен необходимый интервал скоростей выхода ГВС из сопел u = 75–115 нм/с. При этих скоростях обеспечивается максимальная температура газов в камере перегрева. Однако получение высоких скоростей выхода смеси связано с увеличением аэродинамического сопротивления горелочных систем, что ограничивается реальной мощностью воздуходувных средств.

Четвертая серия опытов была проведена на ряде газовых вагранок во время их производственной работы. При этом изменялись число сопел горелочной системы, их диаметр, расход газа и воздуха. Коэффициент a поддерживался постоянным в интервале 0,98–1,02.

Результаты этой серии опытов приведены в табл. 5. Из приведенных данных видно, что во всех случаях с увеличением скорости ГВС температура газов возрастает и при скорости 75 м/с стабилизируется. Каждая кривая 4–8 (рис. 2) характеризует изменение температуры в зависимости от скорости при неизменных конструктивных параметрах камеры перегрева. Кроме того, на температуру влияют тепловое напряжение объема камеры перегрева и относительная величина тепловых потерь к общему количеству тепла.

Влияние скорости выхода ГВС на температуру газов представлено на рис. 3. Приведенные данные показывают, что с увеличением скорости температура газов повышается, что можно объяснить интенсификацией турбулентного перемешивания продуктов сгорания с ГВС, в результате чего длина факелов сокращается, и происходит концентрация тепла.

Проведенные исследования по режимам сжигания газа позволяют признать оптимальными для газовых вагранок на холодном дутье коэффициент расхода воздуха a = 0,98 и оптимальную скорость выхода ГВС 75 нм/с.

Опыт внедрения газовых вагранок в производство подтвердил эти экспериментальные данные. На основе проведенных исследований, а также многочисленных полупромышленных и промышленных экспериментов разработаны работоспособные конструкции газовых вагранок с уступами в шахте (рис. 4), с перемычкой в шахте и с выносной камерой перегрева (рис. 5), в которых впервые в промышленном масштабе выплавляется чугун для заливки сложного ответственного литья для компрессоров.

Опыт эксплуатации газовых вагранок на ПО «Пензкомпрессормаш», Гомельском заводе РМЗ, Волгоградском ВСПКЗ, Чебоксарском заводе металлоизделий и др. показал их высокую эффективность: резко сокращаются вредные выбросы в атмосферу, улучшается качество чугуна, снижаются затраты на топливо. Высокое качество чугуна газовой плавки доказано многолетней работой газовых вагранок в производственных условиях. Опыт внедрения газовых вагранок по лицензии на итальянской фирме «Аччаерие е Ферриере Пульези» (рис. 6) показал, что в газовых вагранках можно получать чугун с температурой до 1510 °С и содержанием серы 0,015 %. Применение высококачественных огнеупоров гарантирует надежную работу вагранок.

Сведения, полученные от фирмы, и многолетний опыт показали, что в этих вагранках можно получать широкий диапазон марок серого чугуна, в том числе высокоуглеродистых (3,8–3,9 % С). Вагранки работают по 16 часов в сутки, причем 12–15 кампаний подряд работает без ремонта одна вагранка, после чего заменяется футеровка свода; футеровка шахты меняется через 90 кампаний. Производительность вагранок составила 8 т/ч (при нормальной 6 т/ч).

Исследования в нашей стране стимулировали аналогичные исследования за рубежом, и сейчас газовые вагранки уже внедрены в Англии, Египте, Германии и Иране. Технико-экономические и экологические соображения говорят о перспективности газовой плавки чугуна.

Самая большая газовая вагранка была построена и испытана на ЗИЛе (рис. 7). Проведенная работа показала перспективность рассмотрения применения природного газа в литейном производстве.

 


Таблица 1. Характеристики прочности CO2 и H2O


Температура, К

G0

Степень
диссоциации

Дж

кал

Характеристика прочности СО2

500

478 550

114 300

0,597·10-16

1000

391 000

934 000

0,428·10-6

1500

303 300

72 450

0,825·10-3

1600

285 440

68 160

0,213·10-2

1700

267 580

63 920

0,489·10-2

1800

250 920

59 940

0,103·10-1

1900

233 130

55 670

0,199·10-1

2000

215 200

51 400

0,362·10-1

2500

127 750

30 500

0,292

Характеристика прочности H2O

500

438 777

104 800

0,145·10-14

1000

384 641

91 870

0,550·10-6

1500

330 338

78 900

0,398·10-3

1600

319 537

76 320

0,907·10-3

1700

308 902

73 780

0,188·10-2

1800

297 681

71 100

0,358·10-2

1900

287 173

68 590

0,638·100-2

2000

276 329

66 000

0,107·10-1

2500

221 900

53 000

0,077·10

 

 


Таблица 2. Значения кислородного потенциала, значения парциального давления кислорода для атмосферы, состоящей из СО2, СО и О2, при 0,1 МПа


Температура, К

p02 , 0,1 МПа

p0 , Дж

500

0,336·10-15

–148 196

1000

0,128·10-6

–132 031

1500

0,092·10-3

–115 966

1600

0,210·10-3

–112 713

1700

0,436·10-3

–109 426

1800

0,082·10-2

–106 408

1900

0,148·10-2

–102 983

2000

0,249·10-2

–99 750

2500

0,175·10-1

–84 138

 

 


Таблица 3. Результаты первой серии опытов по выявлению зависимости температуры газов в камере перегрева от a


Замеряемые
величины

Номер замера

1

2

3

4

5

Расход газа, нм3

330

330

330

330

330

Расход воздуха, нм3

3080

3180

3250

3320

3400

Состав сухих продуктов сгорания в камере перегрева
при незагруженной шахте, % об.:

СО2

9,9

10,7

11,5

11,3

11,0

О2

0,2

0,3

0,6

1,1

Н2

0,8

0,4

0,3

0,1

0,1

СО

1,7

0,9

0,3

0,2

0,1

Температура газов в камере перегрева, °С (при незагруженной шахте)

1690

1710

1705

1700

1685

Коэффициент расхода воздуха
по анализу продуктов сгорания (a)

0,95

0,98

1,00

1,02

1,05

Состав сухих продуктов сгорания в камере перегрева
при загруженной шахте, % об.:

СО2

10,0

10,8

11,7

11,5

11,1

О2

0,1

0,5

1,1

СО

1,6

0,6

0,1

0,1

Н2

0,8

0,3

0,1

СН4

Температура газов в камере перегрева, °С (при загруженной шахте)

1660

1675

1680

1670

1660

 

 


Таблица 4. Результаты второй серии опытов по выявлению зависимости температуры газов в камере перегрева от a


Замеряемые
величины

Номер замера

1

2

3

4

5

Расход газа, нм3

600

600

600

600

600

Расход воздуха, нм3

5700

5880

6000

6120

6300

Состав сухих продуктов сгорания в камере перегрева
при незагруженной шахте, % об.:

СО2

9,8

10,7

11,4

11,3

11,0

О2

0,2

0,3

0,6

1,1

СО

1,5

0,9

0,3

0,2

0,1

Н2

0,6

0,4

0,3

0,2

0,1

СН4

0,1

Температура газов
в камере перегрева, °С
(при незагруженной шахте)

1700

1720

1710

1705

1695

Коэффициент расхода воздуха
по анализу продуктов сгорания

0,95

0,98

1,00

1,02

1,05

Состав сухих продуктов сгорания в камере перегрева
при загруженной шахте, % об.:

СО2

9,9

10,9

11,6

11,4

11,1

О2

0,1

0,5

1,2

Н2

0,8

0,3

0,1

СО

1,6

0,6

0,1

0,1

Температура газов
в камере перегрева,°С
(при загруженной шахте)

1680

1700

1695

1690

1675

 


Таблица 5. Результаты четвертой серии опытов по выявлению зависимости температуры газов в камере перегрева от a


Номер графика на рис. 2

Характеристика газовой вагранки (производи­тельность, т/ч)

Характеристика выходных сопел

Расход газа, нм3

Расход воздуха, м3

Скорость выхода ГВС, нм/с

Температура газов в камере перегрева
(при загруженной шахте), °С

мм

Число сопел

Общая площадь, м2

4

3

30

29

0,0205

280

2800

41,7

1680

330

3300

49,2

1685

380

3800

56,6

1690

440

4400

65,5

1690

5

7–10

30

53

0,0374

500

5000

40,9

1680

600

6000

49,2

1695

650

6500

53,2

1700

700

7000

57,3

1705

750

7500

61,3

1705

6

7–10

25

53

0,0264

500

5000

57,8

1695

600

6000

69,5

1710

650

6500

75,3

1720

700

7000

81,0

1725

7

7–10
(после изменения
числа сопел)

30

39

0,0276

500

5000

55,3

1690

550

5500

60,9

1700

600

6000

66,5

1710

680

6800

75,3

1725

700

7000

77,5

1725

8

7–10
(после изменения
числа сопел)

25

30

0,0195

350

3500

54,8

1680

400

4000

62,7

1690

450

4500

70,5

1700

480

4800

75,3

1715

500

5000

78,5

1715



← Назад к списку