МОДЕЛЬ ПЕРФОРИРОВАННОГО ПОДА ДЛЯ ПЛАВИЛЬНЫХ ПЕЧЕЙ БАРБОТАЖНОГО ТИПА И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

THE MODEL OF A PERFORATED HEARTH FOR BUBBLING FURNACES AND THE RESULTS OF THE STUDY

Andrey Borisov

student of the department "ITNO", National Research University "Moscow Power Engineering Institute",

Russia, Moscow

Andrey Chaymelov

Postgraduate student of the ITNO Department, National Research University "Moscow Power Engineering Institute",

Russia, Moscow

Alexey Popov

Chief Specialist of the Department of Housing and Communal Services and Landscaping of the Lomonosovsky District Council,

Russia, Moscow

Strogonov Konstantin Vladimirovich

scientific supervisor, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Department of ITNO, National Research University "Moscow Power Engineering Institute",

Russia, Moscow

АННОТАЦИЯ

Большая часть действующих высокотемпературных теплотехнологических установок (ВТУ), основанных на процессах плавления, характеризуются значительной энергоемкостью и низким уровнем полезного использования потребляемых ресурсов. Актуальная задача снижения удельной энергоемкости промышленной продукции решается в различных направлениях, к числу которых относится создание энергосберегающих экологически совершенных теплотехнологических установок. Технологии энергосбережения в промышленности представляют наибольший интерес, так как в промышленности расходуется до 80 % потребляемых энергоресурсов. При проведении реконструкций действующих и строительстве новых печей, и другого термического оборудования позволяет снизить энергопотребление от 20 до 50%. В данной статье представлены исследования модели перфорированного пода для плавильной печи барбатажного типа, обеспечивающего снижение тепловых потерь через ограждение. Определены закономерности, которые можно использовать при разработке конструкций энергоэффективных плавильных печей. Описана экспериментальная установка, созданная для проведения физических экспериментов, представлены результаты проведённых исследований. Проведенные «холодные» эксперименты на физической модели, и полученные результаты свидетельствуют о том, что перфорированный под за счет применения противоточной схемы движения материального потока газа и теплового потока позволяет минимизировать тепловые потери в этой части конструкции плавильной печи, организовать интенсивное перемешивание расплава. Результаты наблюдений износа пода, который подвергается механическому воздействию барботажа, показали, что при соблюдении условий по отсутствию химического взаимодействия расплава с перфорированным подом, который фактически охлаждается газовым потоком, приводит к отсутствию износа ограждения.

ABSTRACT

Most of the operating high-temperature thermal technology installations (VTU) based on melting processes are characterized by significant energy intensity and a low level of useful use of consumed resources. The actual task of reducing the specific energy intensity of industrial products is being solved in various directions, among which is the creation of energy-saving environmentally advanced thermal technology installations. Energy-saving technologies in industry are of the greatest interest, since up to 80% of consumed energy resources are consumed in industry. During the reconstruction of existing and construction of new furnaces and other thermal equipment, it allows to reduce energy consumption from 20 to 50%. This article presents studies of a perforated hearth model for a bubbling furnace of the bubbling type, which provides a reduction in heat losses through the fence. The regularities that can be used in the design of energy-efficient melting furnaces are determined. An experimental setup created for conducting physical experiments is described, and the results of the conducted research are presented. Conducted "cold" experiments on a physical model, and the results obtained indicate that the perforated under due to the use of a countercurrent flow scheme of the material gas flow and heat flow allows minimizing heat losses in this part of the melting furnace design, organizing intensive mixing of the melt. The results of observations of the wear of the hearth, which is subjected to the mechanical action of bubbling, showed that, if the conditions for the absence of chemical interaction of the melt with the perforated hearth, which is actually cooled by the gas flow, leads to the absence of wear of the fence.

Ключевые слова: энергоэффективность, эксперимент, реактор, барботаж, перфорированный под.

Keywords: energy efficiency, experiment, reactor, bubbling, perforated tray.

Введение

Вопросам применения барботажа в расплавах, в частности стекловаренных печей, а также погруженного в расплав факела занимались Л.С. Пиоро, В.И. Бабич, Н.А. Панкова, В.В. Полляк, промышленно реализованы конвертора с донной продувкой стали [1] известны и другие факты эффективного применения погруженного в расплав факела с организацией барботажа расплава [2, 3].

Принцип погруженного факела предполагает взаимодействие газа и жидкости, основным отличием этого принципа является мощное механическое взаимодействие газа и жидкости. Это достигается пропусканием всего газа через весь объем жидкости, что приводит к существенному развитию поверхности газ – жидкость, усилению конвективной составляющей тепломассообмена. Интенсифицируется как теплообмен, так и массоперенос. Реализация принципа погруженного в расплав факела может быть с верхней, боковой и нижней подачей газа,барботаж обеспечивает существенно больший коэффициент теплоотдачи по данным [4] при организации погруженного в расплав факела при теплообмене твердой частицы с минеральным расплавом достигает 3 000÷4 000 Вт/(м²·K), в то время как в печах с излучающим факелом коэффициент теплоотдачи 700÷1 200 Вт/(м²·K), принцип предлагаемого способа сжигания топлива и окислителя в печах барботажного типа опубликован [5, 6].

Важным достоинством аппаратов погружного горения является совмещение в одном устройстве функций сразу нескольких устройств – это генератора тепловой энергии и побудителя движения, перемешивания жидкости [7].

Характерно, что при равновесной температуре газовые пузырьки уходят из растворов с температурой на 1-2°С выше температуры расплава [8], поэтому при непосредственном контакте продуктов сгорания с жидкостью процессы тепло- и массообмена протекают с резким снижением теплопотерь с отходящими из реактора газами, коэффициент использования теплоты сгорания топлива при этом составляет 95-96% [9].

В издании [4] авторами обосновано предпочтительное применением рассредоточенной организации погруженного факела, фактически создание перфорированного пода.

В монографии [10] представлены теоретическая оценка эффективности применения перфорированного ограждения для снижения тепловых потерь через ограждение. Снижение тепловых потерь достигается за счёт противоточной схемы движения теплового потока, направленного из плавильного реактора в окружающую среду и материального потока газа, подаваемого через перфорированное ограждение в расплав.

Важным является оценить на сколько эффективным может быть такая реализация подачи газового потока с точки зрения температур в самом ограждении.

Научная новизна заключается в применении рассредоточенной продувки расплава за счёт перфорированной подины это позволяет организовать интенсивное перемешивание расплава с обеспечением большей поверхности контакта газовой среды пузырьков и расплава. Этим достигается максимальный тепло- и массоперенос, коэффициенты теплоотдачи для таких режимов на один порядок выше, чем в печах радиационно-конвективного способа плавления. Повышенная производительность барботажных печей доказана в промышленности при производстве стали (уход от мартеновского способа к кислородно-конвертерному).

Физическая модель перфорированного пода

Для наглядности и обеспечения безопасности лабораторных исследований был выбран метод «холодного эксперимента», при котором исследование процессов ведётся с существенно меньшими температурами, чем на реальном объекте. Жидкостью, моделирующей расплав базальта, была выбрана вода, а материалом, моделирующим перфорированный под печи – парафин, в качестве газа подаваемого через перфорированный под в расплав применялся атмосферный воздух. Возможность таких исследований обоснована в источнике [11].

Принципиальная схема установки представлена на рисунке 1. Конструктивные элементы установки были выполнены из органического стекла толщиной 5 мм. Применение органического стекла обусловлено наглядностью проведения эксперимента. Вода, воздух и парафин распространенные и доступные материалы, теплофизические свойства их хорошо известны.

Барботаж расплава, кроме температурного воздействия на ограждающие конструкции оказывает и механическое воздействие, что зачастую приводит к преждевременному износу огнеупорных материалов. Парафин обладает невысокой температурой плавления что позволяет качественно оценить воздействие барботажа на стойкость ограждения, при температуре близкой к температуре плавления.

Рисунок 1. Схема установки:

1-установка из оргстекла, 2 - расплав (вода), 3 – нагревательный элемент, для поддержания температуры воды, 4 –под из парафина, 5 – отверстия перфорированного пода, 6 – воздуховод подачи воздуха, 7 – термопары.

Этапы изготовления экспериментальной установки представлены на рисунке 2, на котором слева направо представлены результаты: сборки корпуса; проверки установки на герметичность; заливки парафина (трубки, формирующие отверстия перфорированного пода, после затвердевания парафина удалены); установки нагревательного элемента для поддержания температуры расплава.

Рисунок 2. Последовательность изготовления физической модели

Для выполнения экспериментов и фиксации температур к установке были подключены термопары, показания с которых фиксировались компьютером. На рисунке 3 представлен внешний вид работающей установки, в период проведения эксперимента.

На рисунке 2 под цифрой 1 представлен воздуховод, через который воздуходувкой подаётся воздух из помещения лаборатории, термопарой обозначенной цифрой 2 измерялась температура воздуха на входе в перфорированный под, термопарами обозначенными номерами 3, 4, 5 (термопара 3 вышла из строя и не принимала участия в измерениях) измерялась температура перфорированного пода по высоте. Спаи термопар не имеют защитных кожухов и расположены непосредственно в парафине, что обеспечивает минимальную инертность в измерениях при изменении температуры. Измерение температуры воздуха осуществлялось термопарой, обозначенной цифрой 6. Терморегулятор (цифра 7) обеспечивает поддержание температуры водыблагодаря термопаре, расположенной в моделирующей расплав воде. Цифрой 8 обозначенкомпьютер c подключенными термопарами через прибор ADVANTECH, который в реальном времени производил фиксацию измерений.

Рисунок 3. Физическая модель в момент проведения измерений

Показания с термопар передавались на USB модуль ввода и вывода ADVANTECHUSB-4718.

Установка выполнена таким образом, что позволяет задавать и поддерживать температуру воды выше температуры окружающей среды, но ниже температуры расплавления парафина. Это создаёт условия теплового потока через ограждения в окружающую среду, в частости через исследуемый под.

Исследования на физической модели

Задачей эксперимента было сравнить распределение температур по высоте пода в период моделирования барботажа расплава через перфорированный под и в период спокойного расплава. Дополнительно была поставлена задача качественно оценить износ перфорированного пода, который подвергался механическому воздействию барботажа расплава.

Эксперименты проводились для двух вариантов:

• разогретая до 41,5°С вода находился в спокойном состоянии, продувка через под не производилась;
• разогрета до 41,5°С вода барботировала за счёт продувки перфорированного пода воздухом.

Рисунок 4. Графики измерения температур без продувки перфорированного пода (слева) и с продувкой перфорированного пода (справа)

На рисунке 4 представлены результаты измерений. В связи с длительным процессом выхода на стационарный режим установки, эксперименты проводились в разные дни, при этом температура в помещении была одинаковой и составляла 22,6°С. На графиках присутствуют кратковременные изменения в показаниях, которые существенно отличаются от основных линий, это объясняется кратковременной потерей сигнала с термопар.

Верхние линии, представленные на графиках, демонстрируют изменение температуры воды, значение которой было задано 41,5°С, существенные колебания (рис. 4 справа) объясняются барботажом расплава и реагированием термопары на температуры постоянно меняющихся сред (газ и жидкость). Температура воды при барботажном режиме существенно изменялась, это связано с тем, что продувку начинали без воды после чего наливали подогретую воду и потребовалось некоторое время для достижения заданного значения в 41,5°С. Для спокойного режима измерения были начаты после заливки воды.

Результаты измерений показали, что во время барботажапрогрев огнеупорного пода и стабилизирование температур в нём происходит позже, а температуры внутри перфорированного пода существенно ниже,чем при отсутствии барботажного режима. Так температура, наиболее близко расположенной к расплаву термопары 5 (рис. 2), показывала значение в 31,97°С, а при отсутствии барботажного режим 38,82°С. Значения для термопары 4 (рис. 3),наиболее удалённой от расплава для барботажного режима 28,01°С, а при отсутствии барботажа34,71°С.

Эксперименты показали, что ограждение без подачи через него газового теплоносителя и при отсутствии барботажа приводит к большему разогреву, а значит и к большим тепловым потерям. Организация перфорированного ограждения позволяет возвращать теплоту реактора обратно в процесс за счёт того, что газ, проходящий через ограждение, подогревается и предотвращает потери энергии в окружающую среду.

Перед началом проведения эксперимента предварительно на стенках установки были выставлены метки уровня парафина, а также выполнены фотографии поверхности парафина в зоне барботажа.

Визуальные наблюдения показали, что не смотря на температуру расплава в 41,5°С и механическое воздействие барботажного режима, перфорированный под не подвергается износу.

Таким образом, если материал огнеупорного ограждения плавильного реактора будет подобран так чтобы не было химического взаимодействия с расплавом, а температура размягчения огнеупора будет ниже температуры расплава, то перфорированный под обеспечит продолжительный срок эксплуатации реактора.

Заключение

В рамках работы была разработана и изготовлена экспериментальная установка для исследования особенностей теплообмена в перфорированном поду, установка позволила измерить температуру воды и воздуха, а также температуры пода по толщине.

Задачаэкспериментовзаключалась в сравнении распределения температур по высоте пода в период моделирования барботажа расплава через перфорированный под и в период спокойного расплава. Измерения показали, что во время барботажа прогрев пода и стабилизация температур в нём происходит позже, а температуры внутри перфорированного пода существенно ниже,чем при отсутствии барботажного режима. Наиболее близко расположенная к расплаву термопара в период барботажа, показывала значение в 31,97°С, а при отсутствии барботажного режима 38,82°С. Значения для термопары, наиболее удалённой от расплава для барботажного режима 28,01°С, а при отсутствии барботажа 34,71°С. Полученные значения указывают на снижение теплового потока в зоне перфорированного пода.

Также в работе оценивался износ пода, который подвергается механическому воздействию барботажа, наблюдения показали, что при соблюдении условий по отсутствию химического взаимодействия расплава с перфорированным подом, который фактически охлаждается газовым потоком, приводит к отсутствию износа ограждения.

Благодарность

Работа выполнена в рамках проекта «Разработка и исследование конструктивных решений для использования водорода и повышения эффективности процесса восстановления железа при производстве стали» при поддержке гранта НИУ «МЭИ» на реализацию программы научных исследований «Приоритет 2030: Технологии будущего» в 2022-2024 гг.

Список литературы:

1. Воскобойников В.Г. Общая металлургия: учебник для вузов / В.Г. Воскобойников, В.А. Кудрин, А.М. Якушев – 6-е изд., перераб. и доп. – М.: ИКЦ «Академкнига», 2005. – 768 с: 253 ил. – Текст: непосредственный.
2. Роменец В.А. ПроцессРомелт/ В.А. Роменец и др. //М.: МИСиС, Издательскийдом «РудаиМеталлы. – 2005. – Текст: непосредственный.
3. SborshchikovG.S. Thermaloperationofsuperlayer space in Romelt furnace Gleb S. Sborshchikov., Petelin A.L., Terekhova A.Y Dr. Sci.(Eng.), Prof. of the Chair “Energy-Efficient and Resource-Saving Industrial Technologies.
4. Ключников А.Д., Теплообмен и тепловые режимы в промышленных печах: Учебное пособие для вузов /А.Д. Ключников, В.Н. Кузьмин, С.К. Попов – М.: Энергоатомиздат, 1990. – 176 с.: ил.– Текст: непосредственный.
5. Патент № 2762608 РФ, Способ погружного сжигания топлива и окислителя в плавильных печах барботажного типа: № 2021114048: опубликовано21.12.2021 /К.В. Строгонов, А.С. Попов; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВО "НИУ "МЭИ". – Бюл. № 36.–Текст: непосредственный.
6. Strogonov K.V. Forcalculationofperforatedhearthburnerequipmenttothebubble-typefurnaces / K. Strogonov, A. Popov, A. Zdarov, L. Kornilova // In: Irina, A., Zunino, P. (eds) Proceedings of the International Symposium on Sustainable Energy and Power Engineering 2021. SUSE 2021. Lecture Notes in Mechanical Engineering. Springer, Singapore. https://doi.org/10.1007/978-981-16-9376-2_14.
7. Товажнянский Л. Л. Теплоэнергетика погружного горения в решении проблем теплоснабжения и экологии Украины / Л. Л. Товажнянский, Л. П. Перцев, В. П. Шапорев и др. // Интегрированные технологии и энергосбережение. – 2004. - № 3. – С. 3-12.– Текст: непосредственный.
8. Чаймелов А.А. Расчет и физические эксперименты по определению времени плавления частиц в барботируемомрасплаве.[Calculationandphysicalexperimentstodeterminethemeltingtimeofparticlesinabubblingmelt]/А.А. Чаймелов, К.В. Строгонов// Горениеивзрыв. - 2022. - Т. 15, №4, С. 123-131. DOI: 10.30826/CE22150413. – Текст: непосредственный.
9. Вахидова З. Р. Повышение эффективности промышленных теплоэнергетических установок, использующих процесс горения твердого топлива в жидкой среде при давлениях до 30 МПа: Диссертация канд. техн. наук: 05.14.04 Казань, 2006 144 с 144.– Текст: непосредственный.
10. Нешпоренко Е.Г. Вопросыэнергоресурсосбереженияпри извлечении железа из руд. /Е.Г. Нешпоренко, С.В. Картавцев, Монография. – Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2007 – 153 с.– Текст: непосредственный
11. Иодко Э.А., Моделирование тепловых процессов в металлургии. /Э.А.Иодко, В.С. Шкляр – Изд-во: Металлургия, М. – 1967, с. 168.–Текст: непосредственный