Спосіб регулювання теплового стану печі

Спосіб регулювання теплового стану печі, який полягає у безперервній подачі твердого палива в камеру та окислювального газу через форми, створенні надфурменої рідкоемульсійної зони і підфурменої зони спокійного стану розплаву шлаку, стабілізації теплового стану розплаву шляхом зовнішнього регульованого електрообігріву, який відрізняє ться тим, що тепловий стан печі регулюють у кожній зоні фазового стану розплаву. створюючи перемінну по висоті печі теплову потужність електрообігріву, при цьому висоту зони 38883 Найбільш близьким за технічною сутністю є спосіб регулювання теплового стану печі, який полягає в безперервній подачі твердого палива в камеру та окислювального газу - через фурми, створення надфурменої рідкоемульсійної зони і підфурменноїі зони спокійного стану шлаку, стабілізації теплового стану розплаву шля хом організації зовнішнього регульованого електрообігріву (див.: Отчет о НИР "Разработка технических предложений по модельной печи экспериментального стенда установки газификации твердого топлива". № гос. peг. 01920042993, Харьков, 1992, арх. № 134). У відомому способі регулюють тепловий стан печі, змінюючи теплову потужність електорообігрівача, варіруючи загальну потужність в його ланцюгу за допомогою регулятора напруги. При цьому теплова потужність електообігрівача зберігається однаковою по всій висоті печі, а температуру регулюють одночасно у всьому обсязі печі. Недоліком такого рішення є низька ефективність і достовірність наукових даних, що отримуються в ході до слідження в цій печі нової технології через недостатнє наближення умов досліджень до реальних. Даний спосіб регулювання теплового стану печі застосовується для дослідження фізичних і хімічних властивостей шлаку, а також дослідження тепломасообміну "розплав-стінка", у спокійному стані розплаву, або "газове середовище-стінкаповітряний простір". При дослідженні в лабораторній установці гідродинамічних процесів, які виникають при спалюванні твердого палива в барботованому розплаві шлаку можливості досліджень будуть обмежені з такої причини. При використанні барботажних процесів для перемішування розплаву та поліпшення вигорання органічної маси палива, в печі утворюються декілька зон стану робочого середовища, кожне із своїми умовами теплообміну. Такі як: газова зона над розплавом, надфурменна рідкоемульсійна барботажна зона і підфурменна зона спокійного стану шлаку. Якщо при дослідженні процесу тепломасообміну "розплав- гарнісаж- стінка" вибрати потужність електрообігрівача, яка відповідає температурі рідкого шлаку в підфурменній зоні (виходячи з умови надійності роботи печі) при однаковому тепловому навантаженні по висоті електрообігрівача, то в рідкоемульсійній зоні відбудеться зруйнування і розмивання гарнісажу. Через те, що за рахунок барботажних процесів у цій зоні різко збільшується коефіцієнт теплопередачі від розплаву до поверхонь, які огороджують. В дослідній печі буде відбуватись барботажний процес за своїми характеристиками, які відрізняються від реальних. Крім того, буде спостерігатись підвищена нераціональна витрата електроенергії і невиробничі втрати тепла в газовій і рідкоемульсійній зоні. При виборі теплової потужності електрообігрівача, яка відповідає температурі розплаву в рідкоемульсійній зоні, необхідній для утворення надійної, постійної товщини гарнісажу, у підфурменній зоні температура шлаку встановиться нижче розрахункової, відбудеться збільшення в'язкості шлаку, можливе утворення настилів, внаслідок різних в десятки і сотні разів коефіцієнтів теплопередачі між стінкою і розплавом у рідкоемульсійній зоні і зоні спокійного стану шлаку. Тому для підвищення ступеня достовірності наукових досліджень та ефективності регулювання процесу потрібне більш старанний і раціональний розподіл величини тепловідводу від ци х різнорідних середовищ зазначених зон до поверхонь печі. В основу винаходу поставлена задача удосконалення способу регулювання теплового стану печі, які стабілізують, створюючи перемінний по зонах печі зовнішній електрообігрів її стінок, вибираючи висоту електрообігріву в рідкоемульсійній зоні в залежності від витрати окислювального газу через фурми, забезпечуючи при цьому високу надійність роботи всіх зон печі як в базовому, так і в нестаціонарному режимах, виключаючи невиробничі втрати тепла та електроенергії, що дозволить підвищити ступінь достовірності наукових досліджень теплових та інших процесів, що здійснюються в печі малої продуктивності. Поставлена задача вирішується тим, що в способі регулювання теплового стану печі, який полягає в безперервній подачі твердого палива в камеру та окислювального газу через фурми, створення надфурменноі рідкоемульсійної і підфурменної зони спокійного стану розплаву шлаку, стабілізації теплового стану розплаву шляхом зовнішнього регульованого електрообігріву, згідно із винаходом, тепловий стан печі регулюють у кожній зоні фазового стану розплаву, створюючи перемінну по висоті печі теплову потужність електрообігріву, при цьому висоту зони електрообігріву в рідкоемульсійній зоні вибирають в залежності від витрати окислювального газу через фурми за формулою: H = K × G B0,5 (1) де Н – висота зони електрообігріву, м; GB – витрата дуття через фурми, м 3/год; К – коефіцієнт пропорційності, який залежить від параметрів печі, якості спалюваного палива, співвідношення кисню в дутті, що визначається по залежності: VД.Г.В K = 1,2h o (2) 0 F(G )0,5 U S B де 1,2 - емперичний коефіцієнт; h0- рівень розплаву в спокійному стані, м; U0S - теоретичне газове навантаження поверхні розплаву нм 3/м 2ч.; F - площа поперечного перерізу камери розплаву, м 2; VД.Г. - фактичний вихід димових газів, м 3/кг; В – витрати палива, кг/год. Регулювання теплового стану печі шля хом створення перемінної по висоті печі теплової потужності електрообігріву в зонах з різним фазовим станом розплаву шлаку, які характеризуються різним коефіцієнтами теплопередачі від стінки до робочого середовища і різними питомими тепловими потоками, дозволить забезпечити раціональний розподіл величини тепловідводу від зазначених різнорідних середовищ до поверхні печі, підтримати температуру розплаву, що відповідає в'язкості шлаку в надфурменній і підфурменній зонах, організувати надійний процес барботажу шлакової ванни як в базовому режимі роботи печі, так і при зниженому навантаженні. Можливість надійної роботи печі в нестаціонарних умовах дозволить розширити діапазон досліджень, виключити невиробничі втрати тепла та електроенергії. Вибір висоти області електрообігріву в рідкоемульсійній 2 38883 зоні по запропонованій математичній залежності дозволить оптимізувати витрату електроенергії на підігрів ванни печі, знизити витрати на наукові дослідження. На фіг. 1 подана лабораторна піч, яка працює з номінальним навантаженням. На фіг. 2 наведений графік режиму роботи печі спільно із електрообігрівачем. Піч 1 містить ванну 2 із реакційним тиглем 3, який обігрівається електрообігрівачем 4, виконаним із секціями 5, 6, 7, а також фурми 8, отвір 9 для випуску розплаву, завантажувальне вікно 10 і газохід для виходу газів 11. Піч покрита ізоляційним матеріалом 12. Спосіб здійснюється таким чином. В робочу ванну 2 печі 1 через завантажувальний отвір 10 завантажують тверде паливо, рівень якого в тиглі 3 встановлюється вище осі фурм 8. Включають всі секції електрообігрівача 4 на номінальне навантаження. Паливо в тиглі нагрівається і при досягненні температури плавлення 1500°С, розплавляється. При наплавленні в ванні необхідного рівня розплаву подають кисневмісний газ через фурми 8 під рівень розплаву, барботуючи та інтенсивно перемішуючи його. Димові гази, що утворюються при спалюванні палива, проходять газовий простір і через газохід 11 залишають піч 1. Після закінчення пускового періоду піч переходить на активний режим плавлення. В печі утворюються три зони із різними питомими тепловими потоками (g). Перша - це підфурменна зона (h1), в якій розплав знаходиться у нерухомому або мало рухомому (спокійному стані). Друга - це надфурменна зона інтенсивного перемішування, в якій розплав знаходиться в рідко-емульсійному стані (h2). Третя зона - газовий простір над розплавом (hз). При барботажі зони h2 теплові потоки від розплаву до стінок печі досягають найбільшої величини, на порядок перевищуючи рівень теплових потоків у зоні h1. У третій зоні h3 теплові потоки мають менші значення, ніж у першій зоні h1, так як тут в теплопередачі основну роль відіграє коефіцієнт теплопередачі від газів до стінки ванни, а він має менше значення, чим коефіцієнт теплопередачі від розплаву до стінки (при безпосередньому їх зіткненні). Друга і третя зона змінюються по площі в залежності від висоти барботажного шару. Перша зона при зміні навантаження не змінюється по висоті і дорівнює відстані від подини ванни до рівня фурм, має по всій висоті одну й ту ж температуру, незмінний коефіцієнт теплопередачі і тепловий потік. В цій зоні потужність електрообігріву буде незмінною по висоті, незалежно від робочого навантаження печі, змінюючись тільки при її пуску. Третя зона - зона газового простору має практично постійний коефіцієнт теплопередачі, температуру і тепловий потік по висоті простору. Як і в першій зоні потужність обігріву її може бути задана і постійною при всіх режимах роботи печі. Висота другої зони коливається від навантаження печі і змінює своє значення від 0 до h при номінальному навантаженні. В результаті змінюється і тепловий потік по висоті другої зони, так як розплав, який барботується, і газова зона мають в десятки разів різні коефіцієнти теплопередачі. Електропідігрівач повинен змінювати свою потужність по висоті другої зони згідно із висотою розплаву. Висота над фурменної зони розплаву (h2=H) залежить від газового навантаження печі і визначається за формулами (1, 2): VД.Г.В h2 = H = 12h o , U0SF(G B )0,5 Згідно із цією висотою рідкоемульсійного розплаву змінюєтья висота зони електрообігріву h2 у надфурменній зоні шляхом зміни числа увімкнених секцій електрообігрівача. У співвідношенні (3) залежність VД.Г.В / F = US є фактичне газове навантаження розплаву. Воно залежить від витрати палива В, фактичного виходу димових газів Vд.г. площі поперечного перерізу камери розплаву F. Разом із тим фактичний вихід димових газів пов'язаний із витратами повітря на 1 кг палива Vв співвідношенням VД.Г. = VВ1153 , де: коефіцієнт 1,153 - співвідношення обсягу димових газів до об’єму повітря. Враховуючи ці співвідношення, визначаємо залежність фактичного газового навантаження Us у вигляді: U S = 1,153VB BT / F Добуток VвВ=Gв - витрата дуття в одиницю часу, який вимірюється витратоміром повітря. З ура хуванням останнього залежність (3) перетвориться до виду: 1153G B , h2 = H = 1 2 h0 , 0 F (G )0,5 U S B або Н = GB, що відповідає залежності (1), де: К К=1,2х1,153h0/(U0SF)- коефыцыэнт пропорцыональносты, преобразований з урахувнням співвідношень витрат повітря та димових газів. Таким чином, регулювання потужності секцій електрообігрівача у др угій зоні знаходиться в прямій залежності від витрати дуття. В процесі роботи печі з подачею дуття через фурми вмикають регулювання електрообігріву по висоті другої зони. Потужність електрообігріву по зонах h1, h2, h3, встановлюється за раніше виконаними розрахунками на задатчику регулятора потужності із умови, що номінальному тепловому навантаженню печі відповідає температура розплаву 1550-1650°С або в залежності від програми досліджень. При цьому в'язкість розплаву досягає 2,7 Пз і забезпечується стійкий барботаж розплаву. При зниженні навантаження, зменшують подачу палива і кисневомісткого газу, при цьому знижується рівень розплаву 1, відповідно в залежності від дуття, висота обігріву електронагрівачем другої зони із одночасним збільшенням його потужності у другій зоні. Потужність електрообігрівача в першій і третій зонах залишається незмінною або змінюється залежно від програми досліджень. При зупинці печі відключають подачу дуття через фурми і потужність електрообігрівача встановлюють однаковою по всіх зонах. Температура розплаву підтримується задатчиком на рівні, який відповідає рідкоплинному стану шлаку до наступного запуску печі або його зливання. 3 38883 Приклад 1 здійснення способу Піч потужністю 150 кВт розрахована на газифікацію твердого палива, яке має наступні характеристики: найнижча теплота спалювання QpH=4560 ккал/кг; зольність АР=34%; вологість WP=13%. Робоча камера 2 печі 1 круглого перерізу має висоту 1,5 м і площу 0,2 м 2. Піч постачена зовнішнім електрообігрівачем, виконаним секційним по висоті ванни розплаву. Розрахунок 1. Розрахунок зміни площі обігріву камери газифікації по її висоті в залежності від витрати дуття. Режим роботи визначається газовим навантаженням. Газове навантаження - витрата газів через одиницю поверхні площі в одиницю часу (US, м 3/м 2 год). Для подібних печей газове навантаження теоретично оцінюється в 1500 м 3/м 2·год. Потрібна витрата повітря на 1кг палива дорівнює Gв=3,776 нм 3/кг, об'єм димових газів дорівнює Vд.г=4,357 нм 3/кг. При проектному рівні розплаву в спокійному стані (ho-0,5м) рівень барботованого розплаву (h2=H) визначають по формулі (3). Для номінального режиму Dн: В=75 кг/год: 75x 4,357 H = 0,5x1,2 = 1099м , 1500x 0,2x (3,776x 75) Для режиму 0,5 Dн та 0,25 Dн ці значення будуть дорівнювати 0,386 та 0,137 м. У той же час для прототипу висота зони обігріву не змінюється, що призводить до перевитратам електроенергії (див. таблицю). Згідно з цією висотою рідкоемульсійного шару і змінюється висота зони електрообігріву в зоні 2 шляхом зміни числа увімкнутих секцій обігрівача. Ця зміна розрахована по запропонованій вище методиці і внесена в задатчик увімкнути х секцій електрообігрівача. Розрахунок 2. Для збереження теплового стану печі і виходу рідкого шлаку потужність, що споживається, уві мкнутих секцій електрообігріву збільшується при зменшенні навантаження печі. Покажемо це. Спрощене рівняння теплового балансу має вигляд Q1 = Q шл + Qух + Qпот де: Q1 - розташоване тепло печі, яке визначається витратою палива та його теплотворною здатністю: Q1 = Q pH xB p Q H= 4560 ккал/кг, В=75 кг/год; Q шл - втрати із шлаком, ккал/кг; Qшл=0,01 Сшл Вшл АР, ккал/кг; Сшл – ентальпія шлаку при температурі розплаву, рівна 420 ккал/ кг, Ар - зольність палива, %; Qпот - втрати на охолодження печі, складають 10% від QНр є постійними при будь-якій зміні на-вантаження печі. В режимі номінального навантаження спостерігається небаланс тепла, або його дефіцит: Q1=403 кВт, ( Q1 = Q шл + Qух + Qпот )=523кВт Цей дефіцит у розмірі 120 кВт поповнюється електронагрівачем, котрий підводить теплоту в барботажну зону, висота котрої складає 1,099 м, що обраховано у розрахунку 1. У той же час у прототипі теплота підводиться по всій висоті при повному навантаженні підігрівача потужністю 150 кВт. Економія порівняно з прототипом складає 30 кВт. В режимі 0,5 Дн: Q1=201,5кВт, ( Q1 = Q шл + Qух + Qпот )=261,5кВт Дефіцит тепла -61 кВт, у прототипі - 75 кВт, економія - 14 кВт. Дані розрахунку для інших режимів наведені в таблиці. За даними витрат будується графік режиму роботи електрообігрівача, фіг.2. За відомою витратою дуття (яка вимірюється або задається) за допомогою графіка визначається висота рідкоемульсійного шару і необхідна додаткова потужність електрообігрівача в залежності від виходу CO%. Таблиця № п/п 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Значення Найменування параметру Висота печі, м. Висота зони спокійного стану, h0, м. Висота зони барботируємого розвлаву, h2, м Площа печі, м 2 Встановлена потужність електронагрівача, кВт. Витрати вугілля, кг/ч Загальні витрати теплоти палива, кВт. Теплові витрати, кВт. Дефіцит теплоти, покриваємий за рахунок потужності електронагрівача, кВт. Економія потужності, кВт. У заявленому 100% 50% 2,0 2,0 У прототипі 100% 50% 2,0 2,0 0,5 0,5 0,5 0,5 1,099 0,5 0,386 0,5 1,099 0,5 0,386 0,5 150 75 75 37,5 150 75 75 37,5 403 523 201,5 261,5 403 523 201,5 261,5 120 30 61 14 150 0 75 0 4 38883 Фіг. 1 Фіг. 2 __________________________________________________________ ДП "Український інститут промислової власності" (Укрпатент) Україна, 01133, Київ-133, бульв. Лесі Українки, 26 (044) 295-81-42, 295-61-97 __________________________________________________________ Підписано до друку ________ 2001 р. Формат 60х84 1/8. Обсяг ______ обл.-вид. арк. Тираж 50 прим. Зам._______ ____________________________________________________________ УкрІНТЕІ, 03680, Київ-39 МСП, вул. Горького, 180. (044) 268-25-22 ___________________________________________________________ 5