Наиболее крупные потребители газа - промышленные печи черной металлургии. Применение газа (взамен других видов топлива) в промышленных печах при рациональной организации его сжигания дает значительный экономический эффект, определяющийся как более низкими затратами на топливную составляющую в себестоимости продукции, так и улучшением технико-экономических показателей самих агрегатов.
Например, использование газа в доменных печах позволяет уменьшить расход кокса, повысить производительность труда и снизить себестоимость получения чугуна. Сжигание газа в мартеновских печах дает возможность сэкономить значительное количество малосернистого мазута и повысить производительность печей. Применяют газовое топливо также в печах машиностроительных заводов. В этих печах происходит передача теплоты от газового пламени и продуктов горения нагреваемым изделиям и материалам.
По технологическому назначению промышленные печи подразделяют на:
- нагревательные (кузнечные),
- термические (для закалки, отпуска, отжига),
- плавильные (для плавки металлов, стекла,
- обжигательные (для обжига кирпича, извести, фарфора и др.),
- сушильные (для сушки песка, лакокрасочных покрытий и др.).
По источнику тепловой энергии:
- пламенные,
- электрические;
По режиму работы:
- периодического и непрерывного действия;
По конструкции рабочей камеры:
- камерные,
- проходные,
- с выдвижным и с вращающимся подами,
- методические,
- шахтные,
- туннельные;
По способу использования теплоты уходящих продуктов сгорания:
- рекуперативные,
- регенеративные.
При организации сжигания газового топлива в печах особое внимание необходимо уделять правильному теплообмену в рабочей камере печи.
По способу теплообмена и достигаемой температуры печи подразделяют на:
- высокотемпературные (выше 1000 °С), в которых передача теплоты происходит преимущественно лучеиспусканием;
- среднетемпературные (650-1000 °С), в которых передача теплоты производится лучеиспусканием и конвекцией;
- низкотемпературные (до 650 °С), в которых передача теплоты происходит преимущественно конвекцией.
В высокотемпературных печах газ сжигается в рабочем пространстве печи, что обеспечивает передачу теплоты нагреваемым предметам в основном за счет лучеиспускания от пламени горелки, раскаленных продуктов горения и вторичных излучателей (нагретые поверхности кладки и стен).
В низкотемпературных печах газ полностью сжигается в топке, продукты сгорания, направляясь в рабочую камеру, омывают нагреваемые предметы и передают теплоту в основном за счет конвекции.
Скоростной нагрев металла при температурах в печной камере до 1400-1500 °С находит все большее применение в массовом производстве, так как сокращается время нагрева и увеличивается производительность печей.
В кузнечно-прессовом производстве используют камерные нагревательные печи с выдвижным подом. В этих печах применяют принудительную циркуляцию продуктов сгорания за счет энергии газовоздушных струй, вытекающих из горелок, что способствует получению вращающихся потоков газа с равномерной температурой вокруг нагреваемых изделий.
Для предохранения поверхности металла от контакта с агрессивными газами применяют защитные среды. Один из способов получения защитной среды — сжигание газа с недостатком воздуха.
На металлургических заводах получили распространение муфельные печи для термической обработки холоднокатаного листа в рулонах, отжига проволоки в бунтах. Муфельные печи применяют также для термической обработки металла в машиностроении. Используют газовое топливо при сушке форм в литейных цехах.
Природный газ успешно применяют в химической и пищевой промышленности, а также в промышленности строительных материалов. Для повышения производительности стекловаренных печей и увеличения светимости факела пламени используют обогащение газа тяжелыми углеводородами (до 20-30% мазута). Применяют также методы перевода сталеплавильных и стекловаренных печей на природный газ без добавки мазута, повышение светимости факела достигается путем замедленного смешения газа и воздуха в печи и усиления выделения из газа сажистого углерода, что позволяет сократить время варки стали и стекла и снизить расход топлива.
Большое значение имеют:
- правильный выбор количества и типа горелок, их рациональное размещение,
- правильное устройство дымоходов с учетом размещения в печи материалов, подвергающихся тепловой обработке.
Горелки должны обеспечить подготовку и подачу газовоздушной смеси в рабочее пространство печи, устойчивость зажигания и стабилизацию фронта горения в интервале изменения нагрузки печи, создание факела необходимой длины и излучательной способности. Для выполнения этих функций применяют различные горелки.
Атмосферные горелки используют в низкотемпературных печах. Инжекционные горелки среднего давления применяют в небольших камерных печах шириной до 0,8 м при одностороннем и 1,5 м при двустороннем размещении горелок. Горелки с принудительной подачей воздуха более универсальны, они успешно работают на газе низкого и среднего давлений на разнообразных установках с различным режимом и обеспечивают более широкие пределы регулирования расхода газа, что позволяет интенсивно подводить теплоту в период разогрева и снижать подвод, когда расход теплоты нужно значительно уменьшить без выключения отдельных горелок. При переводе печей на газовое топливо рекомендуется устанавливать газомазутные горелки. Число горелок на агрегате должно быть минимальным, но достаточным для равномерного нагрева и соответствующего теплового режима.
При размещении горелок на агрегате необходимо исключить прямое направление факела на нагреваемые поверхности, так как это может привести к местным перегревам и ухудшению качества продукции.
Размещение дымоотводящих каналов в рабочем пространстве печи должно обеспечить равномерное распределение продуктов сгорания, омывающих нагреваемые предметы.
Сжигание газового топлива в котлах
Горячую воду и пар для нужд промышленности и коммунального хозяйства получают главным образом в специальных котлах, которые являются одним из видов теплообменных аппаратов поверхностного типа непрерывного действия. В котлах теплота отбирается от нагретых продуктов сгорания и передается холодной воде. Теплообмен в котлах происходит без непосредственного контакта воды и продуктов сгорания газа, отделенных друг от друга металлическими поверхностями нагрева. Такие теплообменники называют аппаратами непрерывного действия, так как горячие продукты сгорания, отдающие теплоту, и холодная вода, воспринимающая теплоту, находятся в непрерывном движении.
Котлы в зависимости от их назначения бывают водогрейными и паровыми. Если потребителю требуются горячая вода и пар, то применяют паровые котлы. В этих котлах часть получаемого пара используется для нужд производства, а часть направляется в специальный теплообменный аппарат - бойлер. В бойлере пар отдает часть теплоты воде, движущейся по трубам от водопровода к потребителю, конденсируется и вновь возвращается в котел для превращения в пар. Пар, идущий на нужды производства, также может быть собран после его использования и конденсации и возвращен обратно в котел для повторного нагрева.
Для нормальной эксплуатации котлов большое значение имеет качество питательной воды. В этой воде могут содержаться различные примеси в виде солей, которые при нагреве выделяются и оседают на стенках котлов. Эти отложения приводят к уменьшению площади поперечного сечения труб, по которым движется нагреваемая вода, ухудшают теплообмен между продуктами сгорания и водой и могут привести к перегревам отдельных участков поверхностей нагрева и, как следствие, к разрушению этих участков.
Поверхности котла, обрабатываемые с одной стороны продуктами сгорания газа, а с другой - водой, называются поверхностями нагрева. Поверхность нагрева измеряют в квадратных метрах и подразделяют на конвективную и радиационную.
Радиационная поверхность обращена в топку и воспринимает теплоту в основном за счет излучения газового пламени, раскаленных огнеупорных стенок.
Остальная часть поверхности нагрева котла называется конвективной и воспринимает теплоту в основном за счет непосредственного соприкосновения с ней движущихся в газоходах продуктов сгорания, то есть за счет конвекции.
Важная характеристика работы котла - его тепловое равновесие, когда расход и поступление теплоты равны. Если такого соответствия нет, то давление пара в котле и температура воды в нем будут повышаться или понижаться.
Другая характеристика работы котла - его материальное равновесие, когда количество поступающей и расходуемой питательной воды соответствуют одно другому. Естественно, что при быстрой подаче в котел большого количества воды давление и температура воды в нем уменьшаются. При кипении вся вода в котле имеет одинаковую температуру, которая незначительно превышает температуру, соответствующую давлению насыщенного пара в паровом пространстве. В котле одновременно находятся вода и пар, а насыщенный пар имеет практически ту же температуру, что и вода.
Часто для нужд промышленности требуется не насыщенный, а перегретый пар. Чтобы из насыщенного пара получить перегретый, его дополнительно нагревают в конвективном пароперегревателе, расположенном по ходу продуктов сгорания за первым газоходом котла. Пароперегреватель представляет собой устройство из параллельно включенных змеевиков диаметром 28-42 мм, соединенных коллекторами.
Продукты сгорания газа на выходе из газохода имеют еще значительный запас теплоты. Чтобы уменьшить эти потери теплоты, за котлами по ходу продуктов сгорания располагают дополнительные теплообменники - экономайзер и воздухонагреватель. В экономайзере поступающая в котел питательная вода подогревается за счет использования части теплоты продуктов сгорания. В воздухонагревателе за счет теплоты продуктов сгорания подогревается воздух, необходимый для сжигания газа. Использование более нагретого воздуха приводит к повышению температуры горения газа, улучшению процесса горения и увеличению температуры продуктов горения.
Важная характеристика котельного агрегата - его тепловая мощность, которая определяется как произведение поверхности нагрева на расчетный теплосъем с 1 м2. Расчетный теплосъем с 1 м2 поверхности нагрева зависит от типа котла и колеблется от 25-50 тыс. для чугунных секционных котлов до 100 тыс. кДж/ч и более для водотрубных котлов.
Мощность паровых котлов определяется их паропроизводительностью, то есть количеством тонн пара в час. Поскольку количество теплоты в 1 кг пара зависит от его давления, при определении паропроизводительности котла указывается и расчетное давление. Например, в обозначении котла ДКВР-10-13 первая цифра показывает, что котел вырабатывает 10 т пара в час, а вторая цифра - давление пара в атмосферах (13 ат).
Газовое топливо создает хорошие условия для автоматизации его сжигания, что значительно повышает безопасность и эффективность эксплуатации котлов и обеспечивает их работу в соответствии с заданным режимом. Современная комплексная автоматика газифицированных котельных включает в себя приборы автоматики безопасности, регулирования, контроля и сигнализации.
Автоматика безопасности обеспечивает прекращение подачи газа к горелкам при нарушениях режима работы агрегата, способных привести к аварии. Автоматика регулирования поддерживает заданный режим работы котла. Приборы контроля и сигнализации обеспечивают условия для дистанционного управления работой агрегата с диспетчерского пульта.
По назначению котельные подразделяются на:
- отопительные - для обеспечения теплом систем отопления, вентиляции и горячего водоснабжения;
- отопительно-производственные - для обеспечения теплом систем отопления, вентиляции, горячего водоснабжения и для технологического теплоснабжения;
- производственные - для технологического теплоснабжения;
- энергетические - вырабатывающие перегретый пар для получения электроэнергии в турбоагрегатах.
По размещению котельные подразделяются на:
- отдельно стоящие;
- пристроенные к зданиям другого назначения; встроенные в здания другого назначения независимо от этажа размещения;
- крышные, располагаемые (размещаемые) на покрытии здания непосредственно или на специально устроенном основании над покрытием.
По надежности отпуска тепла потребителям котельные относятся к:
- первой категории - котельные, являющиеся единственным источником тепла системы теплоснабжения и обеспечивающие потребителей первой категории, не имеющих индивидуальных резервных источников тепла;
- второй категории - остальные котельные.
