Водяное охлаждение

Охлаждение печей

Огнеупорная футеровка и ряд металлических деталей металлургических печей находятся в зонах высоких температур (до 1600 1800 °С). Огнеупорная кладка (стены, под, свод и дымоходы) в среднем выдерживает температуру до 1200 1500 °С. Значительное количество деталей конструкций изготовлены из металлов, предельная температура которых не должна превышать 400 - 500 °С.
Для обеспечения надежной работы печей применяется принудительное охлаждаение элементов их конструкций. Перечислим ряд факторов, влияющих на срок службы охлаждаемых деталей:

1) тепловые нагрузки;

2) количество;

3) качество охлаждающей воды;

4) способ охлаждения.

Количество отводимой теплоты определяется тепловыми нагрузками на охлаждаемый элемент Q или удельными тепловыми нагрузками на единицу охлаждаемой поверхности (плотности теплового потока) q. Для разных печей и отдельных деталей эти показатели различны, зависят от температурного режима печей, разгара футеровки, конструкции и состояния тепловой изоляции охлаждаемых деталей и изменяются от минимальных в начале кампании печи до максимальных – в конце кампании. Средние их значения после опытного определения систематизированы в таблицы, и при необходимости их можно найти в специальной литературе.

Полная средняя тепловая нагрузка определяется по формуле

Q_cp = q_cp×F, (4.1)

где Q_cp и q_ср соответственно средняя тепловая нагрузка и плотность теплового потока, Вт и Вт/м²; F тепловоспринимающая поверхность детали, м².

Размеры охлаждаемых деталей и их расположение обычно обусловлены конструкцией печи. Форма детали должна обеспечивать надежность ее охлаждения. Следует избегать острых углов и обогрева сверху, а также следует предусматривать надежную изоляцию обогреваемых поверхностей, обеспечивающую минимально возможный отвод теплоты из печи.

В тепловых балансах печей потери на охлаждение составляют 10 20 %, а иногда и 30 % всей внесенной в печь теплоты.

В черной металлургии получили распространение два способа охлаждения печей: 1) водяное

2) испарительное.

Для водяного охлаждения печей используют техническую воду, расход которой на каждый крупный агрегат достигает в среднем 300 500 т/ч. Определяется он в зависимости от максимальных тепловых нагрузок Q_max и допустимой температуры воды на выходе из охлаждаемой детали:

. (4.2)

В этой формуле М расход воды на охлаждение, кг/с; t_вых и t_вх соответственно температуры воды на входе и выходе из детали, °С; с теплоемкость воды, Дж/(кг×К).

Техническая вода содержит значительное количество солей, которые при нагреве выпадают в осадок, т. е. на внутренней поверхности охлаждаемых элементов откладывается накипь. Низкая теплопроводность накипи способствует прогару детали. Во избежание выпадения солей температура воды на выходе из детали не должна превышать 40 °С. Обычно она на 10 12 °С выше температуры воды, поступающей на охлаждение. Такой незначительный перепад обусловливает большой расход воды, в связи с чем пропустить ее через химическую водоочистку не представляется возможным. Соответственно значительно увеличиваются потребление электроэнергии для подачи воды и расход металла на трубопроводы и вспомогательное оборудование.

Различают прямоточную и оборотную схемы водяного охлаждения печей (рис. 4.1). Из-за низкой температуры воды на выходе использование отобранной теплоты пока не представляется возможным.

Рис. – Схемы водяного охлаждения печей:

а) прямоточное охлаждение;

б) оборотный цикл;

1 водоемы;

2 водозаборные устройства;

3 станции перекачки воды;

4 охлаждаемая деталь;

5 линия сброса нагретой воды;

6 насосы для перекачки нагретой и охлажденной воды;

7 охладитель (градирня)
Накипеобразующих солей при прямоточной схеме значительно меньше, поэтому надежность охлаждения повышается. Для снижения расхода воды из водоема прямоточную схему охлаждения (рис. а) заменяют оборотным циклом воды (рис. б). В этом случае вода циркулирует в системе деталь-насос-градирня-насос-деталь. Для покрытия потерь в циркуляционном контуре необходимо поступление дополнительной воды из водоема, что составляет лишь 5 - 10 %.

Преимущество испарительного охлаждения состоит в том, что:

1. обеспечивается надежность работы печи и сокращаются ее простои для ремонта охлаждаемых деталей;

2. используется тепло охлаждающей среды в виде пара;

3. уменьшаются в три раза объем сооружений и мощность системы водоснабжения;

4. для отвода тепла от охлаждаемых деталей используется скрытая теплота парообразования, отвод тепла осуществляется в результате образования и отвода пара. При этом 1 литр воды отводит около 600 Ккал тепла, вместо 10 – 20 Ккал при водяном охлаждении;

5. за счет использования химочищенной деаэрированной воды сокращается не менее, чем в 60 раз расход технической воды, исключается накипеобразование в охлаждаемых деталях, отпадает необходимость в периодической промывке холодильных плит, сокращаются текущие простои и ремонты металлургического агрегата;

6. вода необходима на охлаждение деталей лишь нижнего строения металлургических печей, т. е требуется примерно 30% ее общего расхода при водяном охлаждении;

7. за счет естественной циркуляции исключается зависимость системы испарительного охлаждения от источников электропитания;

8. благодаря наличия определенного объема воды в барабане-сепараторе система может работать без подпитки определенное время, достаточное для устранения возможных неисправностей или перебоев в системе подачи питательной воды;

9. возможно строительство менее мощных насосных станций технической воды, градирен, брызгальных бассейнов и трубопроводов меньших диаметров, т. к. для резервирования СИО тех.вода требуется в меньших количествах;

10. возможна утилизация тепла в виде насыщенного пара;

11. для восполнения потерь воды с паром подпитка системы испарительного охлаждения осуществляется автоматически.

При испарительном охлаждении тепло от нагретых элементов печи отводится водой, нагревающейся до образования пароводяной эмульсии. При этом используется скрытая теплота парообразования, т. е. тепло, отбираемое охлаждающей водой, затрачивается на ее испарение. В холодильники печи подается вода, освобожденная от солей жесткости и лишенная коррозионных свойств. Получаемый пар используется на технологические нужды завода.

СИО используют для охлаждения элементов печей черной и цветной металлургии. В печах кипящего слоя охлаждают стояки отходящих газов (для предварительного охлаждения газов), кессоны для отвода теплоты от слоя; в отражательных – рамы завалочных окон, пятовые балки, шибера. Кессоны, шахты, свода и пода фьюминговой печи; в конвертерах – напыльники; в печи рудно-термической плавки - закладные элементы кладки стен печи, приэлектродные зоны свода печи, загрузочные течки и т.д.

На рис. показаны принципиальные схемы испарительного охлаждения. На схеме а изображен принцип действия испарительного охлаждения с естественной циркуляцией воды. Каждая охлаждаемая деталь представляет собою элементарный котелок, включенный в бак-сепаратор. На схеме б показано испарительное охлаждение высокотемпературным органическим теплоносителем ВОТ (дифенильной смесью, имеющей температуру кипения 258 °С при 760 мм рт. ст., что позволяет повышать параметры получаемого пара при обычной конструкции водоохлаждаемых деталей). Смесь прогоняется через охлаждаемые детали насосом и, нагреваясь, поступает в бойлер, в котором вырабатывается водяной пар.

При схеме а все охлаждаемые элементы параллельно включаются в коллекторы, в свою очередь соединяемые с барабаном-сепаратором, расположенным на большой высоте (более 10 м) над печью. Каждый элемент вместе с соединительными трубами составляет циркуляционный контур, в, котором имеет место естественная циркуляция воды. Принудительная многократная циркуляция воды осуществляется при помощи насоса; при этом еще больше повышается надежность работы системы охлаждения. В настоящее время при многократной циркуляции получают пар с давлением до 4 Мн/м²; но это требует специального устройства охлаждаемых деталей (повышенной их прочности). Питательная (охлаждающая) вода подается от химводоочистительных установок ТЭЦ.

Рис. Принципиальные схемы испарительного охлаждения металлических элементов печей.

а - испарительное водяное охлаждение;

б - испарительное охлаждение с промежуточным

теплоносителем.Начало формы

Конец формы

Начало формы

Конец формы

Начало формы

Конец формы

Начало формы

Конец формы

Начало формы