Общие принципы разработки систем отопления

По всей России 8 800 500-92-62 Москва +7 (495) 120-07-78 Санкт-Петербург +7 (812) 318-75-80

Системой отопления печей является совокупность горелочных устройств или нагревателей, устройств для подачи топлива и воздуха для горения, эвакуации продуктов сгорания и утилизации их тепла.
Цель разработки системы отопления печи — обеспечить осуществление теплового, температурного и аэродинамического режимов, необходимых для оптимального проведения технологического процесса, для которого предназначена печь, а также максимальную экономичность работы агрегата и удобство его эксплуатации.
При разработке системы отопления печи необходимо опираться на целый ряд исходных положений и специальных требований.
При этом необходимо выбрать и рассчитать:

  • тип, характеристику, число и расположение в печи горелочных устройств или нагревателей;
  • характер движения продуктов сгорания или атмосфер контролируемого состава в рабочем пространстве печи и в случае необходимости устройства для организации циркуляции этих газовых сред;
  • способ подачи воздуха для горения и уборки продуктов сгорания, схемы разводки топлива и воздуха для горения;
  • температуры подогрева топлива и воздуха для горения;
  • тип, размеры и характеристику теплоутилизационных устройств (рекуператоров или регенераторов).

Решения всех этих вопросов тесно взаимосвязаны. Например, при применении инжекционных горелок необходима установка блочного керамического рекуператора для подогрева воздуха для горения. Это диктуется тем, что такой рекуператор имеет самое низкое сопротивление по воздушному пути и поэтому чрезмерного повышения давления газа перед горелкой не потребуется. В связи с этим система отопления печи может быть правильно сконструирована только при комплексном подходе к ее разработке.

Тип и конструкция печи в значительной мере определяют схему системы отопления. Садочные печи (например, нагревательные колодцы) предпочтительно отапливать одной мощной горелкой со сравнительно широкими пределами регулирования. Это позволит ограничиться установкой небольшого числа горелок, что облегчит эксплуатацию. Горелка с широкими пределами регулирования необходима для проведения садочного режима нагрева со значительным сокращением подачи топлива к концу цикла. В печах проходного и протяжного типа необходим распределенный подвод тепла по длине печи многочисленными горелками сравнительно небольшой мощности. Ввиду постоянства во времени теплового режима этих печей на них можно применять горелки со сравнительно узкими пределами регулирования. При большом числе горелок на печи при конструировании разводки топлива и воздуха необходимо принимать меры для равномерного распределения компонентов горения между всеми горелками зоны регулирования.

В зависимости от вида и характеристики нагреваемых изделий или заготовок даже для одного типа печей могут потребоваться разные системы отопления. Например, в колпаковой печи для отжига рулонов в отличие от такой же печи для отжига стоп листов необходима искусственная циркуляция атмосферы контролируемого состава под муфелем.

Одним из наиболее значительных факторов, определяющих выбор системы отопления печи, является проводимый в ней технологический процесс. При нагреве в атмосфере контролируемого состава необходимо применять радиационные трубы или электрические нагреватели сопротивления. Если технологией предусмотрена выдержка нагреваемого изделия при заданных температурах, то в печах непрерывного действия предусматриваются камеры выдержки. Система отопления этих камер должна компенсировать потери тепла и обеспечивать высокую равномерность нагрева. Необходимость работы при повышенных скоростях нагрева заставляет применять печи с высокой температурой рабочего пространства даже при умеренных температурах нагрева металла. Для обеспечения повышенных требований к равномерности нагрева заготовок перед прокаткой в проходных нагревательных печах используют отопление многочисленными сводовыми горелками.

При организации системы отопления печей для термообработки железорудных материалов необходимо учитывать физико-химические процессы, происходящие в плотном, пересыпающемся или подвижном слое. Особое внимание необходимо уделять газовыделениям из слоя и дожиганию горючих компонентов в пределах печи.

Температурный режим печи чрезвычайно сильно влияет на выбор системы отопления. Высоко- или среднетемпературный нагрев можно организовать, используя в основном теплопередачу излучением. В этом случае применяют нагрев открытым пламенем или с помощью радиационных труб. Сложнее организовать нагрев до 400-500 °С и ниже. В таких печах применяют выносные топки или сжигание с высокими коэффициентами расхода воздуха.

Организация струйного нагрева или интенсивной принудительной циркуляции газов в рабочем пространстве обеспечивает конвективный нагрев заготовок или изделий. При низкотемпературном нагреве необходимо принимать специальные меры для надежного зажигания топлива и контроля горения.

Пропускную способность системы отопления печи по топливу, воздуху и продуктам сгорания принимают соответствующей тепловой мощности печи. Тепловую мощность рассчитывают, исходя из максимальной производительности при наиболее высокотемпературном режиме. Однако при разработке системы отопления следует иметь в виду, что значительную часть времени печь работает с меньшим расходом топлива. Это имеет место при работе станов на трудоемких профилях, переходе на нагрев изделий иных размеров и иного качества, изменении технологического режима и в других случаях. Для обеспечения нормальной работы печи при пониженных расходах топлива необходимо выбирать горелки с соответствующими пределами регулирования и предусматривать автоматическое отключение части горелок. Система автоматического регулирования теплового режима должна быть работоспособна и при низких расходах. При выборе мер защиты рекуператоров и решении задачи вторичного использования тепла отходящих продуктов сгорания следует учитывать возможность длительной работы печи при пониженном расходе топлива.

Одной из задач, которую нужно решать при разработке системы отопления, является организация аэродинамического режима рабочего пространства. Горелочные устройства должны быть расположены так, чтобы по длине печи не было значительного изменения давления. Давление в рабочем пространстве должно быть таким, чтобы подсосы воздуха в печь и выбивание продуктов сгорания из печи были минимальными. Соответствующее расположение горелок позволяет создать циркуляцию или рециркуляцию продуктов сгорания в рабочем пространстве, что повышает равномерность и сокращает длительность нагрева заготовок или изделий. В печах с атмосферой контролируемого состава для этой цели разрабатываются системы отопления с применением циркуляционных вентиляторов, которые радикально интенсифицируют теплообмен в рабочем пространстве печи.
Существенными факторами, определяющими выбор системы отопления печи, являются вид и характеристика топлива. Если заготовки приходится нагревать до высокой температуры газом с низкой теплотой сгорания, то необходим либо
высокотемпературный нагрев компонентов горения, либо сочетание горелок предварительного смешения и умеренного подогрева компонентов горения. Не все горелочные устройства настолько универсальны, чтобы успешно работать на разных газах, поэтому вид топлива часто определяет выбор горелочного устройства. Особенно сложны случаи комбинированного отопления двумя газами, или, что еще сложнее, газом и мазутом. Основная трудность состоит в том, что сжигание жидкого и газообразного топлива следует организовывать по-разному. Различие во времени, необходимом для сгорания, влияет на характеристику факела. Это затрудняет создание горелочного устройства, равно удовлетворяющего требованиям технологии при сжигании как газа, так и мазута. В ряде случаев приходится одновременно устанавливать на печи два комплекта горелочных устройств раздельно для каждого вида топлива. Естественно, что при комбинированном отоплении существенно усложняются разводки топлива и воздуха для горения, а также система автоматического регулирования теплового режима печи.

Обязательным условием успешного решения системы отопления печи является комплексная ее разработка совместно со схемой автоматического регулирования теплового режима печи. Применение двухпозиционного, ступенчатого или пропорционального регулирования подачи топлива, автоматического отключения групп горелок, автоматическое изменение коэффициента расхода воздуха и другие возможности автоматики позволяют достаточно просто создавать системы отопления даже в чрезвычайно сложных случаях.

Системы отопления печей, безусловно, должны разрабатываться с соблюдением всех правил техники безопасности. Кроме того, они должны быть удобны в эксплуатации и обслуживании. Следует стремиться полностью исключить надобность ручного вмешательства в работу системы отопления в процессе эксплуатации. Все элементы системы должны быть легко доступны для наблюдения за их работой, обслуживания и ремонта.

При разработке системы отопления необходимо предусматривать меры по сокращению вредных выбросов в воздушный бассейн. Подавляющее большинство металлургических печей отапливаются газом, основной вредной составляющей продуктов сгорания которого являются оксиды азота. Для снижения содержания оксидов азота следует стремиться к рассредоточению подвода тепла в рабочее пространство печи, рециркуляции продуктов сгорания, уменьшению времени пребывания газов в области высоких температур, а также, по возможности, осуществлять двухстадийное сжигание топлива и подачу вторичного воздуха в зону горения.

Системы отопления печей должны разрабатываться с учетом экономических факторов, в первую очередь с целью сокращения расходов топлива. Обязательным элементом системы отопления должны быть рекуператоры или регенераторы подогрева компонентов горения. На основании экономического анализа в ряде случаев может оказаться эффективным энерготехнологический агрегат, в котором печь объединяется с паропроизводящей установкой и рекуператором для подогрева воздуха. Следует стремиться к минимально необходимому коэффициенту расхода воздуха, сокращению подсосов в печь воздуха и выбивания из нее продуктов сгорания, а также устранению разбавления воздухом продуктов сгорания по тракту к теплоутилизационным устройствам.

Источник: «Современные горелочные устройства(конструкции и технические характеристики)» Справочное издание. А.А. Винтовкин и др.

© 1997 — 2017 «ГазТехника»