Типы воздухонагревателей
Воздухонагреватели бывают нескольких конструкций:
1. Воздухонагреватель с внутренней камерой горения;
2. Воздухонагреватель с наружней камерой горения;
3. Бесшахтный воздухонагреватель;
4. Воздухонагреватель конструкции Калугина.
Воздухонагрвеатель с внутренней камерой горения. Данный тип воздухонагревателей наиболее распространен в мире. Схема такого воздухонагревателя представлена на рис. 9.1.
Такая конструкция воздухонагревателя обеспечивает достаточно высокую температуру (до 1200 0С) дутья. Однако она имеет ряд существенных недостатков, связанных с расположением камеры горения и камеры насадки в одном кожухе.
· «Короткое замыкание» или прямые перетоки газов между камерой горения и камерой насадки по трещинам и швам между кирпичами в разделительной стенке, что может снижать температуру дутья на 100 оС. Весьма неприятным следствием этого является также утечка оксида углерода (СО) в дымовые газы (до 0,5-1,0%), что может значительно ухудшить экологическую обстановку и не устраняется даже при большом избытке воздуха в горелке.
· Наклон камеры горения в сторону насадки (эффект «банана»), который возникает вследствие разных температур кладки камеры горения со стороны кожуха и со стороны насадки, что приводит к взаимным повреждениям и камеры горения и насадки.
· Деформация и обрушение кладки камеры горения, арок штуцера горячего дутья и горелки вследствие ползучести (крипа) огнеупоров под действием высоких температур и давлений в нижней части камеры горения, что особенно проявляется при высоких камерах горения.
· 
Неравномерное распределение продуктов горения по насадке, которое достигает + 15%. Это снижает реальный коэффициент полезного действия воздухонагревателей и приводит к появлению трещин в массиве насадки и повреждениям поднасадочных устройств.
· Пульсирующее горение, приводящее к сильной вибрации конструкций, разрушению кладки, нарушению нормального режима эксплуатации. Оно связано с акустическим возбуждением высокой камеры горения и его устранение представляет серьёзную проблему. На практике часто вблизи горелки устанавливают большие ёмкости – антирезонаторы, сильно загромождающие пространство.
· Растрескивание огнеупора по условиям термической стойкости при резких колебаниях температур во время смены газового и дутьевого периодов. Наибольшее растрескивание наблюдается в верхней части керамических горелок, где колебания температур кладки между газовым и дутьевым периодом достигает 600 оС.
Рис.9.1. Воздухонагреватель с внутренней камерой горения
Воздухонагреватели с выносной камерой горения. Эти воздухонагреватели (рис. 9.2) пришли на смену воздухонагревателям с внутренней камерой горения с целью достижения более высокой температурой дутья и устранения указанных недостатков. Они являются более надежной конструкцией по сравнению с воздухонагревателями с внутренней камерой горения. Наружная камера горения, заключенная в самостоятельный кожух, устраняет воздействие только двух недостатков («короткое замыкание» и эффект «банана»), однако усложняет конструкцию воздухонагревателя, увеличивает его стоимость на 30% и требует для своего размещения значительно больше места. Реально достигается температура горячего дутья 1200 – 1250 оС.
Рис. 9.2. Воздухонагреватели с выносной камерой горения.
Следующим этапом развития конструкции явилось появление бесшахтных воздухонагревателей. В бесшахтных воздухонагревателях нет камеры горения и поэтому нет связанных с ней недостатков. Сжигание газа организуется в горелочной системе, установленной на куполе. Первым бесшахтным воздухонагревателем, разработанный Калугиным стал воздухонагреватель с кольцевой форкамерой (рис. 9.3). В основании купола расположена короткая (1м) кольцевая форкамера, в нижней части, которой установлено несколько десятков керамических горелок малого калибра. Кольцевые коллекторы газа и воздуха расположены внутри кожуха, применяется такое же оборудование, что и при керамических горелках. Первый такой воздухонагреватель с динасовым верхом был построен на доменной печи объемом 1500 м3 в 1982 году. Исследования его показали, что практически полное сжигание газа достигается на выходе из форкамеры, пульсирующее горение не возникает, неравномерность распределения продуктов горения по насадке составляет ±5 %. Воздухонагреватель был успешно опробован при работе с температурой горячего дутья 1350 оС и работает весьма надежно с температурой горячего дутья до 1220 оС. Межремонтный срок службы бесшахтного воздухонагревателя определен в 30 лет, из которых он проработал уже 24 года и находится в хорошем состоянии.
Рис.9.3. Воздухонагреватель с кольцевой форкамерой.
Воздухонагреватель конструкции Калугина (рис. 9.4). Эта конструкция развивает и улучшает конструкцию первого бесшахтного воздухонагревателя с кольцевой форкамерой. Форкамера со струйно-вихревой подачей газа и воздуха установлена на верху купола и имеет независимую опору кладки на кожух. Закрутка струй газа и воздуха в форкамере обеспечивает их интенсивное и полное сжигание газа до входа в насадку, а также весьма равномерное распределение продуктов горение по насадке.
Рис.9.4. Воздухонагреватель конструкции Калугина
Исследование воздухонагревателей Калугина на ряде заводов показали их основные преимущества.
1) Струйно-вихревая система смешения газа и воздуха обеспечивает очень хорошее сжигание газа. Совместные измерения с фирмой «EKO-Stahl» (ФРГ) позволили определить, что в отходящем дыме при весьма широком изменении концент- рации кислорода (О2) 0.3¸5.1 % концентрация монооксида углерода (СО) постоянна и составляет 0.0016 % (20 мг/м3), что в 5 раз меньше допустимых норм для ФРГ. Это определяет аппарат как весьма экологически «чистый».
2) «Короткое замыкание» в этих воздухонагревателях исключено и на весь период эксплуатации он остается экологически «чистым» аппаратом.
3) Степень закрутки потоков в форкамере подобрали так, что обеспечивается весьма равномерный вход продуктов горения в насадку (95 – 97 %), что улучшает к.п.д. ее использования.
4) Сопротивление воздухонагревателя невелико и для его работы на полных нагрузках достаточно давления газа перед горелкой около 600 даПа.
5) В воздухонагревателях могут использоваться газ и воздух, подогретые до 500 – 600 оС.
6) Пульсирующее горение полностью отсутствует на всех режимах работы.
7) Отсутствует прямой удар факела в кладку и её местный перегрев, что обеспечивает симметричное распределение температур по куполу, насадке, футеровке и кожуху, вследствие чего снижаются температурные напряжения и улучшается стойкость воздухонагревателя.
8) Общий уровень температур в кладке форкамеры невысок (в среднем около 900 оС), а перепады температур кладки между газовым и дутьевым периодом близки к перепадам температур в кладке горелок первого бесшахтного воздухонагревателя с кольцевой форкамерой, которые без ремонта эксплуатируются уже 24 года и находятся в хорошем состоянии. Это позволяет определить длительный срок службы кладки форкамеры без ремонта (до 30 лет).
9) Конструкция самого купола способствует увеличению срока его службы, т.к. перекрытие широкого пространства над насадкой происходит в куполе форкамеры, который имеет значительно меньший радиус и работает при низких температурах (900 оС). Это позволяет при использовании обычных динасовых огнеупоров работать с температурой продуктов горения над насадкой до 1550 оС и получить максимальную температуру горячего дутья до 1400 оС. Чем крупнее доменная печь, тем большие преимущества имеет воздухонагреватель Калугина по сравнению с другими типами воздухонагревателей. Гарантированный безремонтный срок службы ВНК составляет 30 лет.
10) Специально для бесшахтных воздухонагревателей были разработаны насадки с диаметром канала 30 и 20 мм и поверхностью нагрева 48.0 м2/м3 и 64 м2/м3 соответственно. За счет развитой поверхности нагрева и высокого коэффициента теплоотдачи этих насадок, а также устранения камеры горения, высота насадки значительно снижается. При высокой тепловой мощности воздухонагреватель становится малогабаритным и достигается существенная экономия огнеупорных материалов по сравнению с обычными воздухонагревателями.
На рис. 9.5. дано сравнение размеров бесшахтного воздухонагревателя Калугина и воздухонагревателя с внутренней камерой горения для доменной печи объемом 3000 м3 на меткомбинате «ЗСМК» в г. Новокузнецке. Экономия огнеупоров на ВНК составила по весу 50%. ВНК введен в эксплуатацию в 2002 году и работает хорошо. В 2005 году на такой же доменной печи этого комбината введен в эксплуатацию еще один такой же воздухонагреватель и планируется построить третий и по этому же типу провести реконструкцию остальных воздухонагревателей комбината.
Россия. Новокузнецк. ОАО "ЗСМК". ДП 3000 м3
Справа -бесшахтный воздухонагреватель Калугина, в эксплуатации с 2002г.
Слева -три воздухонагревателя с внутренней камерой горения.
Рис.9.5. Сравнительные размеры воздухонагревателей одной тепловой мощности
Значительное снижение капитальных затрат и большая экономия на ремонтах за счет увеличения межремонтного срока службы до 30 лет, возможность увеличения температуры нагрева дутья до 1300 оС, малое гидравлическое сопротивление и работа без пульсаций с весьма низким содержанием вредных выбросов в дыме дают воздухонагревателям Калугина значительные преимущества по сравнению с существующими аппаратами и определяют их как наиболее перспективную конструкцию высокотемпературных воздухонагревателей.