Исследование особенностей тепловой работы доменных воздухонагревателей(диссоциация трехатомных газов и недожог природно-доменной смеси)

Содержание

Введение

Глава 1. Энерготехнологические основы работы регенеративных систем доменного производства

1.1. Анализ современного состояния парка воздухонагревателей и актуальной нормативной базы Минэнерго России

1.2. Физико-химические процессы при высокотемпературном нагреве и распаде продуктов сгорания

Глава 2. Расчетно-аналитическое исследование тепловых режимов воздухонагревателя

2.1. Количественная оценка влияния недожога на тепловую мощность и КПД теплообменника

2.2. Определение температурных потерь, обусловленных диссоциацией CO2 и H2O в камере горения

2.3. Определение дополнительного расхода смешанного топлива для компенсации потерь тепловыделения в насадке воздухонагревателя

Глава 3. Оптимизация эксплуатационных характеристик теплотехнического оборудования

3.1. Снижение неравномерности подачи топлива и окислителя для уменьшения импульсного режима горения газообразной смеси

3.2. Реконструкция теплообменного аппарата с уменьшением общей высоты насадки

3.3. Мероприятия по повышению эффективности использования тепла и ресурса насадки

Заключение

Список использованной литературы

ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА

Исследование особенностей тепловой работы доменных воздухонагревателей (диссоциация трехатомных газов и недожог природно-доменной смеси)

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы выпускной квалификационной работы обусловлена стратегическим значением повышения энергетической эффективности металлургических предприятий в современных условиях развития российской промышленности. Доменное производство является одним из наиболее энергоемких технологических процессов, при этом воздухонагреватели доменных печей представляют собой крупнейшие регенеративные теплообменные аппараты, работающие в высокотемпературном режиме с использованием смешанного топлива на основе природного газа и доменного газа [1, c. 15]. Согласно данным Минэнерго России, металлургическая промышленность потребляет свыше 18% общего объема природного газа в стране, при этом значительная доля приходится на системы нагрева дутья доменных печей [2, c. 24]. В условиях ужесточения требований к энергосбережению и сокращению выбросов парниковых газов, закрепленных в распоряжении Правительства РФ №1523-р от 09.06.2020 «Об энергетической стратегии Российской Федерации на период до 2035 года», вопросы оптимизации тепловой работы воздухонагревателей приобретают первостепенное значение.

Степень разработанности проблемы в отечественной технической литературе характеризуется наличием фундаментальных исследований процессов высокотемпературного теплообмена и горения газообразных топлив в регенеративных системах. Значительный вклад в изучение тепловой работы воздухонагревателей внесли научные школы НИУ «МЭИ», ФГАОУ ВО «УрФУ имени первого Президента России Б.Н. Ельцина», а также отраслевые институты ПАО «Северсталь», ПАО «НЛМК» и ПАО «ММК». Вместе с тем, недостаточно изученными остаются вопросы количественной оценки потерь теплоты, связанных с эндотермической диссоциацией трехатомных газов CO₂ и H₂O при температурах выше 1400°C, а также влияния неполноты сгорания природно-доменной смеси на температурный уровень насадки воздухонагревателя [3, c. 67]. Существующие методики расчета тепловой работы воздухонагревателей, изложенные в РД 16.325-88 «Расчет доменных воздухонагревателей», не в полной мере учитывают современные режимы эксплуатации с повышенными температурами нагрева дутья до 1250-1300°C и изменяющимся составом доменного газа при использовании технологий вдувания пылеугольного топлива.

Цель настоящей выпускной квалификационной работы заключается в исследовании особенностей тепловой работы доменных воздухонагревателей с учетом эффектов диссоциации продуктов сгорания и недожога газообразного топлива для разработки технических решений по повышению эффективности использования теплоты и увеличению ресурса теплообменного оборудования.

Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи:

• провести анализ современного состояния парка воздухонагревателей металлургических предприятий России и актуальной нормативно-технической базы, регламентирующей их проектирование и эксплуатацию;
• изучить физико-химические процессы, протекающие при высокотемпературном нагреве продуктов сгорания, включая механизмы термической диссоциации CO₂ и H₂O в диапазоне температур 1400-1550°C;
• выполнить количественную оценку влияния химического недожога топливной смеси на тепловую мощность и коэффициент полезного действия воздухонагревателя;
• определить температурные потери, обусловленные диссоциацией трехатомных газов в камере горения и насадке воздухонагревателя;
• рассчитать дополнительный расход природно-доменной смеси, необходимый для компенсации тепловых потерь и поддержания проектного температурного уровня насадки;
• разработать комплекс мероприятий по оптимизации эксплуатационных характеристик воздухонагревателей, включая снижение неравномерности подачи компонентов топливной смеси и модернизацию конструкции теплообменного аппарата.

Объектом исследования выступает регенеративная система нагрева доменного дутья, включающая воздухонагреватели камерного типа с керамической насадкой, работающие на смешанном природно-доменном газе. Предметом исследования являются тепловые процессы в высокотемпературной зоне воздухонагревателя, связанные с горением газообразного топлива, диссоциацией продуктов сгорания и теплообменом в регенеративной насадке.

Методологическая база исследования включает теоретические основы технической термодинамики и химической кинетики высокотемпературных процессов, изложенные в трудах Вукаловича М.П., Кириллина В.А., Щукина А.А.; методы расчета процессов горения топлив и теплообмена в регенеративных аппаратах, разработанные Равичем М.Б., Китаевым Б.И., Глинковым М.А. [4, c. 112]. Расчетная часть работы базируется на нормативно-технических документах: РД 16.325-88 «Расчет доменных воздухонагревателей», ГОСТ 10050-2017 «Газ доменный. Технические условия», СП 89.13330.2016 «СНиП II-35-76 Котельные установки», а также технических регламентах ПАО «Северсталь» и ПАО «НЛМК» по эксплуатации воздухонагревателей. Для численного моделирования процессов диссоциации и расчета химического равновесия применялись методы термодинамического анализа с использованием справочных данных JANAF Thermochemical Tables и отечественных изданий по термодинамическим свойствам газов.

Научная новизна работы определяется комплексным подходом к оценке влияния высокотемпературной диссоциации и химического недожога на энергетические характеристики воздухонагревателей, а также разработкой уточненной методики расчета тепловой работы с учетом реальных условий эксплуатации при температурах насадки 1450-1550°C. Впервые для условий российских металлургических предприятий проведена количественная оценка потерь теплоты от диссоциации CO₂ и H₂O в увязке с режимными параметрами подачи природно-доменной смеси.

Теоретическая значимость исследования состоит в углублении понимания термохимических процессов в высокотемпературных регенеративных теплообменниках и установлении закономерностей влияния диссоциации трехатомных газов на температурные поля и

…