Ефективні режими роботи та конструкції компактних регенераторів промислових печей - Автореферат

Захист дисертації відбудеться 15.01.2002 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.084.03 при Національній металургійній академії України за адресою: НМЕТАУ, пр. З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національної металургійної академії України, пр. У звязку з цим розробляються високоефективні пристрої для підігрівання повітря продуктами горіння, що базуються на використанні компактних регенераторів, які дозволяють знизити витрату палива на 30 - 50 %. встановити залежність показників ефективності роботи регенераторів від змінних конструктивних та технологічних параметрів (висоти насадки, швидкості руху газів через насадку, тривалості циклу роботи регенератора, температури димових газів); шляхом математичного моделювання встановлено, що ступінь регенерації компактного регенератора визначається висотою насадки і слабо залежить від основних технологічних параметрів у діапазоні швидкості руху газу через насадку 0,5 - 1 м/с, тривалості циклу роботи регенератора 60 - 360 с, температури димових газів на вході в регенератор 1000 - 1200 °С;Встановлено, що при нестабільній роботі промислових печей схема використання теплоти димових газів з підігріванням повітря для горіння є найбільш прийнятною, при можливості забезпечити ступінь регенерації теплоти димових газів, r і 0,7. Аналіз їхніх робіт дозволив сформулювати необхідні вимоги до математичної моделі компактного регенератора: необхідність урахування впливу процесів теплопровідності у елементах насадки та шарі, зміни теплофізичних властивостей енергоносіїв та матеріалу насадки від температури, зміни швидкості теплоносіїв, коефіцієнтів тепловіддачі та гідравлічного опору в залежності від зміни температури. Критеріями, що характеризують ефективність роботи компактного регенератора, виступали: ступінь регенерації теплоти - відношення кількості теплоти отриманої повітрям за повітряний період (QП) до кількості теплоти, відданої димовими газами за цикл роботи регенератора (QД); Результати розрахункових досліджень показали, що основний вплив на ступінь регенерації виявляє висота насадки, а зміна швидкості та температури димових газів на вході в насадку, тривалості димового (повітряного) періоду у дослідженому діапазоні незначно впливає на ефективність роботи регенератора. Вона включає: побудову графічних залежностей Н = f (тпер), коли значення Н дорівнює Нроб, а втрата опору насадки та температура димових газів на виході з регенератора досягають граничних (заданих) значень; визначення областей припустимих значень висоти насадки Н та тривалості періоду роботи регенератора тпер; вибір висоти насадки, виходячи з області припустимих значень; визначення припустимої тривалості періоду роботи регенератора в залежності від швидкості теплоносіїв та температури димових газів на вході в насадку; обчислення площі перетину насадки та її геометричних розмірів, виходячи з вибраних швидкостей руху теплоносіїв.Розроблено методику вибору робочої висоти насадки з урахуванням заданих обмежень щодо температури димових газів на виході з регенератора та гідравлічного опору насадки. Математична модель враховує: зміну теплофізичних властивостей газів та матеріалу в залежності від зміни температури в часі та по висоті насадки; процеси теплопровідності в елементах насадки; зміну швидкості газів в насадці в залежності від зміни їхньої температури; зміну в часі витрати газів та температури продуктів горіння на вході в регенератор. Створено установку для дослідження роботи регенеративної кульової насадки та проведено експериментальні дослідження роботи компактного регенератора у нестабільних умовах у такому діапазоні параметрів: швидкість газів на порожній перетин регенератора 0,4 - 0,6 м/с; період роботи регенератора 3; 35; 51 хв; висота шару насадки 0,55 - 0,75 м. Проведено розрахункові дослідження роботи компактного регенератора в такому діапазоні параметрів: швидкість газів на порожній перетин регенератора w = 0,5 - 1,0 м/с; тривалість димового (повітряного) періоду тпер = 30 - 180 с; висота насадки Н = 0,35 - 1,00 м; температура димових газів на вході в насадку тд вх = 1000 - 1200 °С. В той же час, зміна швидкості руху газів, тривалості димового (повітряного) періоду та температури продуктів горіння на вході в насадку незначно впливає на ефективність роботи регенератора.

2. Основний зміст роботи

У дисертації вирішена задача дослідження впливу експлуатаційних та конструктивних параметрів компактного регенератора на ефективність його роботи. Розроблено методику вибору робочої висоти насадки з урахуванням заданих обмежень щодо температури димових газів на виході з регенератора та гідравлічного опору насадки. Встановлено залежність параметрів ефективної роботи регенератора від форми компактної насадки та матеріалу елементів насадки. Поставлена задача була вирішена завдяки проведенню теоретичних та експериментальних досліджень роботи компактної насадки і математичної обробки отриманих результатів. Проведені дослідження дозволяють зробити такі узагальнення та висновки: 1. В умовах нестабільної роботи нагрівальних печей найбільш ефективним варіантом утилізації теплоти димових газів є нагрівання повітря, що йде на горіння, при забезпеченні ступеня регенерації теплоти r і 0,7. Виконати цю умову дозволяє застосування компактних регенераторів, що забезпечують підігрів повітря до 800 - 1000 °С. Засоби, направлені на зменшення утворення окислів азоту (рециркуляція продуктів горіння та двостадійне спалювання палива) дозволяють одержувати питомі концентрації NOX у продуктах згоряння на припустимому рівні.

2. Розроблено чисельно-аналітичну модель теплових та газодинамічних процесів роботи компактного регенератора. В основу моделі покладене аналітичне рішення Т. Шумана задачі теплообміну у нерухомому шарі матеріалу. Математична модель враховує: зміну теплофізичних властивостей газів та матеріалу в залежності від зміни температури в часі та по висоті насадки; процеси теплопровідності в елементах насадки; зміну швидкості газів в насадці в залежності від зміни їхньої температури; зміну в часі витрати газів та температури продуктів горіння на вході в регенератор. Визначені величини розрахункових кроків по висоті, Dh, в діапазоні (1,0 - 1,5) Ч DE, та у часі, Dt, в діапазоні 1 - 3 с, що забезпечують обчислення температурного поля газів та матеріалу з максимальною відносною помилкою не більше 9 %.

3. Створено установку для дослідження роботи регенеративної кульової насадки та проведено експериментальні дослідження роботи компактного регенератора у нестабільних умовах у такому діапазоні параметрів: швидкість газів на порожній перетин регенератора 0,4 - 0,6 м/с; період роботи регенератора 3; 35; 51 хв; висота шару насадки 0,55 - 0,75 м.

4. Проведено адаптацію математичної моделі шляхом порівняння розрахункових та експериментальних значень температури матеріалу, димових газів та повітря, а також гідравлічного опору насадки. Збіг характеру експериментальних залежностей за час роботи та по висоті насадки з розрахунковими значеннями підтверджує адекватність математичної моделі реальним фізичним процесам, що відбуваються в регенераторі. Похибка при розрахунках температур та гідравлічного опору за допомогою математичної моделі складає 15-30 % в залежності від зміни абсолютного значення температур по висоті насадки.

5. Проведено розрахункові дослідження роботи компактного регенератора в такому діапазоні параметрів: швидкість газів на порожній перетин регенератора w = 0,5 - 1,0 м/с; тривалість димового (повітряного) періоду тпер = 30 - 180 с; висота насадки Н = 0,35 - 1,00 м; температура димових газів на вході в насадку тд вх = 1000 - 1200 °С. Отримано регресійну залежність величини робочої висоти насадки від конструктивних та режимних параметрів: Нроб = f(w, тпер, тд вх). Результати дослідження показали, що основний вплив на ступінь регенерації виявляє висота насадки, при її значеннях менше Нроб. В той же час, зміна швидкості руху газів, тривалості димового (повітряного) періоду та температури продуктів горіння на вході в насадку незначно впливає на ефективність роботи регенератора. Величина ступеня регенерації, в дослідженому діапазоні параметрів, дорівнює 80 %, а її зміна не перевищує 5 %. Причиною слабкого впливу зміни режимних параметрів роботи регенератора на ступінь регенерації є перерозподіл ефективності використання верхніх та нижніх шарів насадки.

6. Розроблено методику вибору конструктивних та режимних параметрів роботи компактної насадки, які забезпечують найбільш ефективну експлуатацію регенератора в умовах зміни теплової потужності печі.

7. Проведено чисельні дослідження роботи комбінованої насадки, із заміною в нижній частині корундових куль на металеві. Дослідження показали, що така заміна практично не призводить до зміни ефективності роботи регенератора, але дозволяє знизити вартість компактної насадки в 2,7 - 6 разів. Отримано розрахункову залежність відносної висоти шару металевих куль (Нмет/Н) від відносної припустимої температури їхньої експлуатації (тприп/тд вх).

8. Досліджено вплив форми насадки компактного регенератора на ефективність його роботи. При зміні відношення верхнього і нижнього перетину насадки Fв/Fн від 1,4 до 2,2, гідравлічний опір насадки зменшується на 8-9 %. Температура нагрівання повітря та ступень регенерації теплоти продуктів горіння при цьому залишаються незмінні.. Розроблено рекомендації по вибору форми насадки у вигляді усіченої піраміди з оптимальним співвідношенням площі основ.

9. З використанням одержаної методики вибору конструктивних та режимних параметрів роботи компактного регенератора розроблено технічне завдання по реконструкції секції з 4 печей дротового цеху ВАТ "Завод кріплення та дроту" м. Дніпропетровська з установкою регенеративних пальників. Реконструкція забезпечує нагрівання повітря до 750 - 800 °С, що призводить до зниження витрати палива на 40 - 60 % та збільшення КВП печі з 50 до 85 %.

Основний зміст дисертації опублікований в наступних наукових роботах

1. Розенгарт Ю.И., Шевченко Г.Л., Губинский М.В., Шавкун А.Н. Исследование работы шарикового регенератора для регенеративных горелок // Металлургическая теплотехника. (Энергетика. Металлургия). - Днепропетровск: ГМЕТАУ. - 1999. - Т. 1. - С. 150 - 153.

2. Губинский М.В., Шевченко Г.Л., Лещенко Е.А. Повышение эффективности использования топлива при нестабильной работе нагревательных печей прокатного производства // Металлургическая и горнорудная промышленность. - 2000. - № 1. - С. 75-78.

3. Шевченко Г.Л., Губинский М.В. Влияние эксплуатационных параметров на работу компактной насадки регенеративной горелки // Металлургическая теплотехника. - Днепропетровск: ГМЕТАУ. - 2000. - Т. 3. - С. 147 - 157.

4. Шевченко Г.Л., Губинский М.В., Хейфец Р.Г. Об использовании комбинированных насыпных насадок в регенеративных горелках // Теория и практика металлургии. - 2000. - № 5. - С. 11 - 13.

5. Шевченко Г.Л., Губинский М.В. Исследование гидравлического сопротивления насыпной насадки компактного регенератора // Металлургическая и горнорудная промышленность. - 2001. - № 2. - С. 105 - 107.

6. Губинский М.В., Шевченко Г.Л. Моделирование тепловых процессов в компактной насадке шарикового регенератора // Металлургическая теплотехника. - Днепропетровск: НМЕТАУ. - 2001. - Т. 4. - С. 140 - 144.

7. Gubinskij M.V., Љevиenko G.L. Analysis of the behavior of compact spherical attachment for regenerative burner in transient regimes // Proc. 2nd International Scientific Conf. "Effective production, transmission and consumption of energy". - Kosice - Herlany (Slovak). - 2000. - P. 143 - 146.

8. Шевченко Г.Л., Губинский М.В. Выбор высоты насадки компактного регенератора // Труды научно-технич. конф. "Запорожсталь - 2000". - Запорожье: Запорожсталь. - 2000. - С. 73 -74.

9. Shevchenko G. Research into regenerative burners operation // Proc. "Materialy i Technologie XXI Wieku". - Katowice (Poland). - 2001. - P. 169 - 170.

10. Регенеративний нагрівальний колодязь: рішення про видачу деклараційного патенту на винахід № 2001021324 від 26.02.2001; МПК 7 С21D9/70 / Губинський В.Й., Сокуренко А.В., Омесь М.М., Єрьомін О.О., Губинський М.В., Губинська С.Л., Шевченко Г.Л., Затопляєв Г.М., Романенко В.І. // Український інститут промислової власності; 27.07.2001; вих. № 26375.