10.05.2018

Классификация систем охлаждения доменных печей


Охлаждение необходимо для поддержания такой температуры стенки, которая исключает разрушение.

Допустимые температуры нагрева материала стенок деталей при длительной их работе приведены в табл. 1.

Охлаждающие системы можно разделить на следующие группы: 1) охлаждение холодной технической водой; 2) охлаждение горячей химически очищенной водой; 3) испарительное охлаждение; 4) испарительное охлаждение в комплексе с использованием тепла отходящих газов; 5) замкнутое охлаждение с парообразованием вне детали.

Основными теплоносителями являются вода или паро-водяная смесь; разработаны также схемы, в которых применяют высококипящие теплоносители.
Охлаждение холодной технической водой. До 1950 г. металлургические печи охлаждали только холодной водой.

Сущность этого способа состоит в том, что охлаждающая вода, проходя через полость охлаждаемой детали и отбирая от ее стенок тепло, нагревается до 35—50° С.

Расход охлаждающей воды зависит от ее качества и конструкции охлаждаемых элементов.

Схемы охлаждения холодной водой представлены на рис. 2. Такие схемы водяного охлаждения просты в эксплуатации: вода поступает в деталь и без значительного нагрева удаляется из нее. Однако нагрев всего на 2—20 град (в среднем на 10) требует очень большого расхода воды. Это приводит к необходимости прокладывать трубопроводы больших диаметров, сооружать мощные водозаборные устройства, устанавливать оборудование для очистки, перекачки и охлаждения воды. В результате система усложняется, требует больших капитальных и эксплуатационных затрат. При водяном охлаждении вода расходуется в больших количествах, что связано с трудностями ее тщательной очистки. Поэтому техническая вода, применяемая для охлаждения, часто бывает неудовлетворительного качества. Это вызывает частый прогар деталей, так как в них откладываются накипь и шлам. Например, показатель жесткости охлаждающей воды, потребляемой металлургическими заводами Донецкого бассейна, достигает 20—25 мг*экв/л и более, а количество механических примесей в охлаждающей воде на заводах Приднепровья в период весеннего паводка — около 500 мг/л.
Низкая температура охлаждающей воды (35—50°С) практически исключает возможность использовать тепло, уносимое охлаждающей водой.

Необходимость непрерывного охлаждения воды в специальных сооружениях-охладителях (система оборотного водоснабжения) удорожает и усложняет систему.

Охлаждение холодной технической водой требует постоянной подачи воды под напором, что обусловливает зависимость охлаждения от надежности работы насосов и подачи электроэнергии и вызывает потребность в резервных источниках энергии (подвод электроэнергии от различных подстанций, установка насосов с паровым приводом, значительных запасных емкостей и т.д.).

Охлаждение горячей химически очищенной водой. Охлаждение горячей водой (или так называемое «горячее охлаждение») предложено в 1930 г. инж. В.Д. Пашковым.

Сущность этого способа состоит в том, что для охлаждения элементов печи используют химически очищенную воду (с начальной температурой ~70°С), которая после нагрева в охлаждаемых элементах печи до 95 С, служит теплоносителем для подогрева конденсата, теплофикации и горячего водоснабжения.

Циркуляционный контур охлаждающей воды выполняют замкнутым.

Потери воды восполняют химически очищенной деаэрированной водой.

Для защиты от повышения давления воды сверх заданного предела в системе охлаждения предусмотрена установка предохранительных переливных труб, через которые удаляется пар и излишки воды.

Расход воды в зависимости от температуры ее нагрева регулируют по показаниям контрольно-измерительных приборов. Схема охлаждения горячей водой представлена на рис. 3.
При выключении потребителей тепла часть системы охлаждения или всю ее полностью переключают на обычное охлаждение холодной технической водой.

Целесообразнее было бы при этом горячую химически очищенную воду охлаждать технической водой в специальном теплообменнике. Такая система была осуществлена на мартеновских печах Нижне-Тагильского металлургического комбината (НTMK).

Использование горячей химически очищенной воды устраняет ряд недостатков охлаждения холодной водой, а именно:

а) позволяет полностью или частично использовать тепло охлаждающей воды;

б) в два-три раза сокращает расход электроэнергии для перекачки воды вследствие уменьшения общего расхода воды и связанного с этим уменьшения потерь напора в сети;

в) исключает прогар охлаждаемых деталей в связи с отсутствием накипи.

Однако система охлаждения горячей водой имеет ряд недостатков:

а) сложность и ненадежность коммуникаций из-за установки дополнительной арматуры и контрольно-измерительных приборов;

б) зависимость системы охлаждения от потребителей тепла (отключение потребителей нарушает систему охлаждения и вызывает необходимость переключать на охлаждение холодной технической водой, запасы которой должны быть всегда обеспечены);

в) неравномерность тепловой нагрузки отдельных охлаждаемых элементов затрудняет полное использование тепла; изменение тепловых нагрузок мартеновских печей в течение плавки в два раза и более может повлечь за собой необходимость изменения количества или температуры нагреваемой воды в широких пределах. При нагреве вода может периодически вскипать в деталях печи, а образующийся пар удаляться в атмосферу. Следует отметить, что использование пара испарительного охлаждения в качестве теплоносителя значительно эффективнее, чем использование горячей воды.

Значения коэффициента теплоотдачи при кипении достигает 15—20 тыс. ккал/(м2*ч*град), в то время как для воды он составляет 2—4 тыс. ккал/(м2*ч*град).

Использование воды в качестве теплоносителя требует значительно большей поверхности нагрева теплообменных аппаратов; подогрев воды свыше 80—90° С практически невозможен.

Если отсутствуют круглогодичные производственные потребители тепла, то пар испарительного охлаждения может быть использован на энергетические нужды, в то время как при системе горячего охлаждения эта возможность исключается.

В настоящее время система охлаждения горячей водой на HTMK заменена системой испарительного охлаждения.

Охлаждение химически очищенной холодной водой. С целью снятия больших тепловых потоков и удобства эксплуатации системы профессор И.Н. Коробов и другие специалисты предлагают использовать в качестве охлаждающей среды химически очищенную воду, температура которой меньше 25° С. При этом возможны две схемы охлаждения: обычное водяное охлаждение с заменой технической воды химически очищенной и замкнутая система с отводом тепла через теплообменник с помощью технической воды.

Проработки показывают, что обе схемы имеют существенные недостатки, что делает их применение неэффективным.

Пройдя несколько циклов оборотной системы, химически очищенная вода превратится практически в обычную техническую, применяемую для охлаждения. Это потребует замены ~20% отработавшей воды свежей химически очищенной, что для крупных агрегатов составляет около 1000 м3/ч.

Применение замкнутой схемы с теплообменниками усложняет и удорожает систему, так как требует подачи двойного расхода: химически очищенной воды для охлаждения агрегата и технической для охлаждения теплообменников. Наличие в технической воде теплообменников примесей не исключает недостатков обычного охлаждения технической водой.

Обе схемы не получили практического применения из-за указанных недостатков.

Следует отметить, что широко распространенное испарительное охлаждение обеспечивает не менее эффективное снятие тепловых потоков, чем рассмотренные схемы, при более высокой надежности работы.

Испарительное охлаждение. Советскими инженерами предложен новый способ охлаждения металлургических печей — испарительное охлаждение. В 1950 г. эта система внедрена на мартеновских печах Донецкого металлургического завода. Работа была удостоена Государственной премии I степени.

При испарительном охлаждении металлургических печей используют в основном скрытую теплоту парообразования для отвода тепла от охлаждаемых деталей. Применяемую обычно холодную охлаждающую воду заменяют кипящей, отвод тепла осуществляется за счет выхода пара.

Тепло, отбираемое водой, затрачивается на ее испарение. Так как скрытая теплота парообразования составляет ~540 ккал/кг при атмосферном давлении, то каждый килограмм воды, испаряясь, отбирает от стенки охлаждаемой детали 540 ккал.

Кроме того, 1 кг воды, поступая в систему с температурой ~30° С и нагреваясь до кипения, отбирает еще около 70 ккал.

Таким образом, при испарительном охлаждении 1 кг охлаждающей воды отводится 600 ккал вместо 10 ккал при водяном охлаждении, что позволяет сократить расход воды (при полном переводе печи на испарительное охлаждение) примерно в 60 раз, а иногда и более.

Во избежание трудностей, связанных с применением прямоточной схемы испарения воды при переменных тепловых нагрузках для всех металлургических печей, принята система испарительного охлаждения с многократной циркуляцией.

Принципиальные схемы испарительного охлаждения представлены на рис. 4. Охлаждаемые детали присоединены двумя трубами к барабану-сепаратору. По опускной трубе вода из барабана-сепаратора подводится к детали; по подъемной трубе пароводяная смесь отводится в барабан-сепаратор, где пар отделяется от воды и отводится по паропроводу.
Вода в системе циркулирует непрерывно. При этом возможно применение естественной циркуляции, основанной на разности удельных весов воды в опускной трубе и паро-водяной смеси в подъемной трубе, и принудительной, осуществляемой циркуляционными насосами. Вода, отводимая в виде пара, восполняется подачей питательной воды, подаваемой в барабан-сепаратор. При использовании пара и возвращении конденсата потери воды в общем балансе завода составляют ~10% от обычных для водяного охлаждения.

Испарительное охлаждение в отличие от водяного обеспечивает полную увязку охлаждения с технологией работы металлургической печи.

Действительно, при водяном охлаждении для надежности работы печи необходимо подавать количество воды, соответствующее максимально возможным тепловым нагрузкам, так как вследствие повышения температуры воды происходит выпадение накипи.

При испарительном охлаждении увеличение тепловой нагрузки влечет за собой увеличение охлаждающего потока пароводяной смеси, делает его более турбулентным, и надежность охлаждения сохраняется.

При испарительном охлаждении достигается саморегулирование процесса охлаждения.

Система испарительного охлаждения имеет следующие преимущества:

а) увеличивается срок службы охлаждаемых деталей металлургических печей и исключаются горячие ремонты печей из-за прогара деталей благодаря применению химически очищенной воды;

б) исключаются охладительные устройства (градирни, брызгальные бассейны и пруды), водоводы больших диаметров и мощные насосные станции;

в) можно использовать тепло охлаждающей воды без усложнения условий эксплуатации печи благодаря независимости системы охлаждения от потребителей тепла (возможность удаления излишков пара или всего пара в случае необходимости в атмосферу);

г) уменьшаются капиталовложения и упрощается эксплуатация;

д) при естественной циркуляции система не зависит от бесперебойности снабжения электроэнергией.

Система охлаждения в комплексе с использованием тепла уходящих газов. Комплексная система, предложенная проф. Московского энергетического института Н.Д. Семененко и Е.А. Ницкевичем, фактически является разновидностью системы испарительного охлаждения. Внедрение этой системы способствует наиболее экономичному использованию тепла охлаждающей воды и уходящих газов печей.

Сущность системы заключается в том, что охлаждаемые детали печи и испарительные змеевики котла-утилизатора присоединяют к одному барабану-сепаратору, вследствие чего образуются два параллельных циркуляционных контура с общими циркуляционными насосами. Весь пар перегревается в пароперегревателе котла-утилизатора (рис. 5).
Эта система исключает применение естественной циркуляции из-за размещения барабана-сепаратора в котельной котлов-утилизаторов.

При принудительной циркуляции для обеспечения независимости охлаждающей системы печи от электроснабжения необходимо устанавливать резервные насосы с паровым приводом.

Несмотря на совершенство этой схемы с энергетической точки зрения, зависимость технологического агрегата от использования тепла отходящих газов уменьшает надежность и самостоятельность работы печи, поэтому такая схема не получила широкого распространения.

Более правильным решением является комплексность системы испарительного охлаждения только по использованию пара (одинаковое давление) либо, в крайнем случае, наличие общего барабана-сепаратора при разобщенных коммуникациях и отдельных циркуляционных насосах.

Замкнутая система охлаждения с парообразованием вне детали. При этой системе в качестве охлаждающего агента можно использовать воду или высококипящие теплоносители (ВТ).

Сущность замкнутой системы водяного охлаждения с вынесенным испарителем состоит в том, что давление воды в охлаждаемой детали выше, чем в барабане-расширителе, поэтому в детали не образуется пар. Система работает, как правило, с принудительной циркуляцией (рис. 6).
Замкнутая система водяного охлаждения с вынесенным испарителем имеет следующие недостатки:

1) необходимость применять охлаждаемые детали, рассчитанные на значительно большую прочность, чем это было бы обусловлено величиной давления получаемого пара;

2) увеличение расхода электроэнергии в связи с необходимостью поддерживать в охлаждаемых деталях значительно более высокое давление, чем в барабане-расширителе.

Таким образом, рассматриваемая система сложнее в энергетическом отношении и потому неперспективна.

Замкнутая система охлаждения с вынесенным испарителем и высококипящим теплоносителем. Сущность этой системы состоит в том, что в качестве теплоносителей применяют ртуть, расплавленные соли, характеризуемые высокой температурой кипения, благодаря чему детали охлаждаются при небольшом давлении, а тепло используется в теплообменнике для получения пара (рис. 7).
Эта система охлаждения может работать с принудительной и естественной циркуляцией.

Высота расположения барабана-сепаратора при естественной циркуляции зависит от удельного веса высококипящего теплоносителя.

Для котельных установок высококипящие теплоносители были применены в 1950—1951 гг., по предложению инж. Л.В. Браиловского.

Высококипящие теплоносители для охлаждения металлургических печей, предложенные П.Д. Возновичем, Б.В. Сазановым и М.Н. Старовичем, вследствие сложности и особых требований по технике безопасности не получили применения.

Характеристика некоторых высококипящих теплоносителей приведена в табл. 2.
Наиболее распространен высококипящий органический теплоноситель (ВОТ), который представляет собой эвтектическую смесь, состоящую из 73,5% дифенилоксида и 26,5% дифенила. Он имеет ряд преимуществ: не ядовит; температура плавления его ниже, чем солей; упругость паров ниже, чем паров воды при той же температуре.

Максимальное теплонапряжение для ВОТ составляет 600 тыс. ккал/(м2*ч), т.е. вдвое меньше, чем для воды.

В лабораториях института «Гипросталь» исследовали возможность применения растворов солей в качестве высокотемпературных теплоносителей. Было изучено коррозионное действие растворов на сталь при температурах кипения (табл. 3), температура кипения растворов в зависимости от концентрации (рис. 8) и определены величины коэффициентов теплоотдачи растворов нитрито-нитратной солей в зависимости от плотности теплового потока, концентрации и скорости циркуляции (рис. 9 и 10).
Из табл. 3 следует, что в качестве вторичного теплоносителя можно применять раствор, состоящий из смеси нитритов и нитратов (53% KNO3, 40% NaNO2, 7% NaNO3). Раствор хлористого цинка непригоден из-за сильного коррозионного воздействия на сталь. Двухромовокислый натрий полностью исключает коррозию, однако характеризуется сравнительно низкой растворимостью и незначительно повышает температуру кипения раствора.

Из рис. 9 следует, что коэффициент теплоотдачи 95%-ного раствора нитрито-нитратной смеси достигает 500 ккал/(м2*ч*град) при плотности теплового потока 700 тыс. ккал/(м2*ч) и скорости циркуляции ~1,0м/сек. Температура наружной стенки при толщине 10 мм составляет 480°С, что допустимо для стали 15к при работе без давления в системе.
Если в качестве теплоносителя применяют раствор соли, то необходимо, чтобы в теплообменнике перепад температур раствора соли и водяного пара составлял ~15 град. Если же применяют 95%-ный раствор соли с температурой кипения 185°С, то температура насыщенного пара в теплообменнике составит 170° С, что соответствует давлению пара 8 ат.

Следовательно, пользоваться высокотемпературными теплоносителями нецелесообразно для охлаждения деталей, которые могут работать при значительно более высоком давлении.

Следует отметить, что величина критической плотности теплового потока для 95%-ного раствора нитритонитратной смеси при скоростях ниже 0,1 м/сек составляет 0,6 млн. ккал/(м2*ч); поэтому при применении такого раствора для охлаждения необходимо предусматривать скорость циркуляции в деталях не менее 0,5—1,0 м/сек. Следует также отметить, что степень взрыво-безопасности нитрито-нитратных смесей еще не выяснена, поэтому их применение не получило пока распространения.





Яндекс.Метрика