Управление температурным полем по длине камеры нагревательного колодца

Практика эксплуатации нагревательных колодцев с одной верхней горелкой, отапливаемых топливом с теплотой сгорания от 6 до 36 МДж/м³, показала, что при одинаковых параметрах (тепловая мощность, длина рабочей камеры, скорость истечения и удельные осевые импульсы струй топлива и воздуха) по длине рабочего про­странства нагревательного колодца имеется неравномерность темпе­ратуры, которая в зависимости от вида сжигаемого топлива имеет различный характер. Колодцы блюмингов 1150 и 1300 комбината «Криворожсталь» отапливаются соответственно коксовым ( МДж/м³) и смешанным МДж/м³) газами при одинаковой тепловой мощности ячеек, равной 10,5 МВт. Для колодцев, работающих на смешанном газе с теплотой сгорания до 8,0 МДж/м³, характерна температурная неравномерность первого рода (расположение максимума температур у глухой торцовой стены), а в колодцах, работающих на коксовом газе, наблюдалась температурная неравномерность второго рода (смещение максимума температур к горелочному торцу).

Разная температурная неравномерность по длине камеры колодцев дала повод для изучения причин, вызвавших это явление, и разра­ботки мероприятий, направленных на их устранение. Расчетный анализ, результаты которого представлены в табл. 5.1, показал, что замена смешанного газа коксовым мало изменяет длину горящего факела, в то время как осевой импульс топливной струи и ее кинетическая энергия (мощность) на выходе из горелочного (устройства уменьшается в пять-шесть раз.

Это дало основание предположить, что различие температурных полей объясняется не изменением длины видимого факела, а значи­тельной разницей в его дальнобойности, определяемой осевыми импульсами топливной и воздушной струй. Поскольку движение газов в камерных печах с концентрированным подводом топлива осуще­ствляется в основном под воздействием топливно-воздушных струй, то их дальнобойность оказывает определяющее влияние на характер циркуляции печных газов, что и было подтверждено гидравлическим моделированием.

Табл. 5.1 . Изменение параметров, определяющих длину факела и его аэродинамические свойства, при замене одного вида топлива другим

Характер циркуляции газов исследовали на гидравлической модели колодца. Моделировали движение газов при отоплении колодца смешанным и коксовым газами. В обоих случаях в горелке использо­вали односопловые газовые насадки. В качестве меток применяли черную тушь и раствор радиоактивного изотопа кобальта-60.

При моделировании движения газов в колодцах, отапливаемых смешанным газом, метка незави­симо от расхода воды доходила до противоположной торцовой стенки модели на уровне оси горелочного устройства и возвращалась дымоотборному окну по нижней части камеры (см. рис. 5.1). Заме­на смешанного газа коксовым сопровождалась уменьшением кинетической энергии топливной струи на входе в камеру колоди3 с 1610 до 300 Вт. В этом случае метка сохранила петлеобразный характер движения, однако ее большая часть двигалась по укороченной траектории (рис. 5.2).

Получили два различных авто­модельных режима движения, которые устойчиво сохранялись при изменении расхода газа от 100 до 30 %. Чтобы определить параметр, от которого зависит характер цирку­ляции газа, рабочее пространство колодца условно разделим на две части по высоте и обозначим сред­нюю длину траектории (рис. 5.3), по которой движется макси­мальное число объемов газа. Для оценки запишем энергетический баланс циркуляции секундного расхода газа:

(5.1)

- плотность соответственно топлива, воздуха, дымовых газов, кг/м³; - осевая проекция среднерасходной скорос­ти соответственно топлива, воздуха на входе в камеру и дымовых газов на выходе из нее, м/с; - объемный расход соответ­ственно топлива, воздуха, дымовых газов, м³/с; - эквивален­тный коэффициент потерь энергии при циркуляционном движении газов в камере печи; - эквивалентный диаметр сечения потока дымовых газов, м.

Скорость газов в камере с учетом рециркуляции принята равной , где - кратность крупномасштабной внутренней рецир­куляции газов.

Рис. 5.1. Движение метки в камере гидравлической модели при горизонтальном положении газового сопла (положение метки зафиксировано с интервалом 1,3—2,0 с)

Рис. 5.2. Движение метки по укороченной петлеобразной траектории

Рис. 5.3. К понятию средней длины траектории газового потока

В левой части уравнения (5.1) имеем располагаемую мощность циркуляции, состоящую из суммы кинетических энергий секундных расходов топлива и воздуха на входе в печь за вычетом кинетической энергии расхода дымовых газов на выходе из печи; в правой - мощ­ность, расходуемую на движение объемного расхода дыма, т.е. потери энергии на движение газов по траектории . Из выражения (5.1) выделим

где

(5.2)

Безразмерная величина представляет собой удельную кинетическую энергию газов, измеренную в динамических давлениях циркулирующих продуктов горения и затраченную на движение 1 м³ продуктов горения в печной камере.

В автомодельной области движения , , поэтому длина траектории будет зависеть только от которая и служит критерием дальнобойности петлеобразного движения потока печных газов.

При замене смешанного газа коксовым с сохранением скорости истечения газа и воздуха относительная удельная энергия циркуля­ции сокращается с 17-20 до 8-10. Именно этим объясняется существование двух различных режимов автомодельного движения газов. В опытах на огневой модели нагревательного колодца со сме­шанным и коксовым газами и в производственных условиях устано­вили, что обеспечивает в камере колодца длиной 10 м температурную неравномерность первого рода. При этом, очевидно, средняя траектория газов охватывает всю длину камеры. Отсюда следует, что на каждый метр длины рабочей камеры расходуется удельная энергия, равная двум динамическим давлениям циркулиру­ющих печных газов. При наблюдалась температурная неравномерность второго рода в связи с сокращением траектории движения печных газов.

Анализ ряда мероприятий, направленных на повышение равномер­ности температурного поля по длине камеры колодца, показывает, что они связаны с изменением . Из выражения (5.2) следует, что зависит от - осевых составляющих скоростей топлива и воздуха в выходных отверстиях горелки. Так, на колодцах комбината "Криворожсталь", отапливаемых коксовым газом, путем сужения воздушной горловины с 1040 до 680 мм удалось повысить до 18 и устранить температурную неравномерность второго рода. Таким образом, удельная энергия циркуляции печных газов является комплексным безразмерным параметром, воздействуя на который удается управлять температурным полем газов по длине камеры колодца. Увеличение при недостаточном значении возможно также путем уменьшения - коэффициента потерь энергии на циркуляцию газов, например, благодаря настильному движению газов вдоль крышки колодца. С целью получения равномерного температурного поля по длине печной камеры целесообразно циклически изменять удельную энергию циркуляции и, как следствие, длину траектории печных газов. Это можно осуществить, например, путем подачи воздуха попеременно с большой и малой скоростями истечения, сохраняя оптимальное соотношение расходов топлива и воздуха.