Технология скоростного нагрева ТЕСКА — эффективное сжигание газа

Технология скоростного (радиационно-струйного) нагрева ТЕСКА®, позволяет интенсифицировать тепловую работу при нагреве материалов и улучшить технико-экономические показатели работы печи. 

Технология эффективного сжигания топлива

Принцип технологии ТЕСКА® основан на принудительном распределении тепловых потоков в рабочем пространстве печи за счёт скоростных факелов горелок ТЕСКА® (Патенты РФ, Евразийский патент).

В зависимости от заданной технологии нагрева выбирается наиболее рациональная схема расположения горелок и алгоритм управления:

• импульсный (включено/выключено);
• импульсный (большой/малый огонь);
• аналоговый (с постоянным коэффициентом избытка воздуха);
• аналоговый (с переменным коэффициентом избытка воздуха);
• режим качающейся струи;
• пульсирующий; комбинированный.

Экономическая эффективность:

• снижение удельного расхода топлива до 15-30 % (импортные печи), 20-80% (российские печи);
• улучшение равномерности и качества нагрева;
• снижение вредных выбросов (CO и NOx) до 2,5 раза от норм РФ;
• снижение капитальных и эксплуатационных затрат;
• срок окупаемости затрат на реконструкцию от 0,5 до 1,5 лет.

Эффективное сжигание топлива достигается за счет:

• Оптимизации аэродинамических, тепловых и химических процессов горения топлива в газовых горелках ГСС ТЕСКА® .
• Выбора рационального режима управления газовыми горелками ТЕСКА® на печи.
• Сочетания интенсивности и равномерности нагрева изделий за счет распределения тепловых потоков, организованных скоростными факелами горелок.
• Автоматизации системы управления тепловым процессом в промышленной печи (АСУТП) на базе микропроцессорной техники.

Технология ТЕСКА® реализована на различных типах промышленных печей предприятий России.

Радиационно-струйный нагрев (РСН) ТЕСКА®

В существующих в настоящее время высокотемпературных промышленных печах прокатного и кузнечного производства определяющим фактором передачи тепла к нагреваемому материалу является создание условий радиационного теплообмена между источниками излучения и нагреваемым металлом.

При этом основным механизмом интенсификации радиационного теплообмена в промышленной печи является повышение температуры источников излучения, увеличение степени черноты поверхностей, участвующих в теплообмене, и создание наиболее рациональной геометрии системы, в которой протекают теплообменные процессы.

Источниками излучения в нагревательных печах являются боковые стены, под и свод печи, причем доля свода в радиационном теплообмене может достигать до 70 %. Повышение температуры свода нагревательной печи приводит к необходимости применения дорогостоящих высокотемпературных огнеупорных материалов, усилению конструкции свода и значительному удорожанию нагревательной печи.

Также следует отметить, что при организации сводового отопления (установка горелок на свод), в следствии конструктивных особенностей горелок, сжигание топлива происходит непосредственно на поверхности огнеупорного свода с вероятностью развития температур, близких к калометрическим Тсв > 1800°С, что значительно снижает срок службы огнеупоров, ведёт к перерасходу топлива и ухудшению равномерности нагрева металла.

Повышение эффективности сжигания путем использования конвективной составляющей теплообмена

В последнее время отечественными и зарубежными печестроительными фирмами исследуются и находят практическое применение различные способы интенсификации тепловой работы промышленных печей путем использования конвективной составляющей теплообмена. Для проходных и камерных нагревательных высокотемпературных печей можно выделить применение при нагреве активных струй газообразных агентов.

НПП ТЕСКА® разработало и запатентовало способ радиационно-струйного нагрева РСН (Патент РФ, Евразийский патент), основанный на принудительном распределении тепловых потоков (организованных скоростными факелами горелок) с возможностью изменения теплотехнических параметров потоков за счет регулирования тепло-газодинамических характеристик факелов газовых горелок.

Основным элементом реализации РСН является автоматическая скоростная горелка ГСС ТЕСКА®. Газовые горелки ГСС ТЕСКА® позволяют за счёт технологических и конструктивных особенностей (Патенты РФ) обеспечить эффективное сжигание газообразного топлива с коэффициентом активации близким к 1, при этом полное сжигание топлива в зависимости от коэффициента расхода воздуха (α) происходит либо в камере сгорания газовой горелки, либо в коротком жестком факеле.

Температура факела горелок ГСС-Р достигает калориметрических значений во всем диапазоне изменения коэффициента избытка воздуха. Горелки ГСС-Р имеют широкий диапазон изменения тепловой мощности (от 1 до 100), температуры факела (от 50°С до 2000°С), скорости факела горелки (от 20 до 200 м/сек.).

Механизм реализации эффективного сжигания

Механизм реализации РСН основан на ориентации факелов в рабочем пространстве промышленной печи и позволяет осуществлять интенсивный нагрев с заданными технологическими параметрами: скорость подъема tм , равномерность.

Ориентация факелов в рабочем пространстве (схема расположения газовых горелок) определяется для печей индивидуально с учетом кострукции, размеров печи, расположением и заполнением рабочего пространства печи нагреваемым материалом и т.д.

Для создания рационального режима нагрева (термообработки) выбирается наиболее оптимальный режим управления газовыми горелками:

• аналоговый,
• импульсный,
• пульсирующий,
• режим качающейся струи,
• комбинированный.

Преимущества технологии ТЕСКА

Результаты промышленного применения РСН на различных типах промышленных печей показали значительные преимущества нового способа нагрева:

• сокращение удельного расхода топлива на 20 ÷ 30 %;
• снижение времени нагрева и как следствие получение резерва для увеличения производительности промышленной печи;
• повышение качества нагрева (высокая температурная равномерность ± 5°С);
• снижение температуры в рабочих зонах печи;
• сокращение капитальных и эксплуатационных затрат на строительство (реконструкцию), обслуживание промышленной печи;
• снижение вредных по СО и NOx в 2,5 раза ниже норм РФ и в 1,5 раза ниже экологических норм "Голубой ангел" ЕС.

Применение технологии радиационного струйного нагрева позволяет сделать процесс сжигания максимально эффективным, существенно интенсифицировать тепло-массообменные процессы, сократить общее и удельное время нагрева, снизить угар металла и улучшить качество нагрева в промышленных печах.

Эффективное сжигание газообразного топлива в горелках ГСС-Р ТЕСКА®

Для анализа эффективности сжигания при использовании газовых горелок ГСС-Р, как источника получения тепловой энергии, рассмотрим процесс сжигания единицы объема газового топлива в трех различных по конструкции грелочных устройствах (системах 1, 2, 3). Условно разделим развитие процесса горения каждой системы во времени на три последовательных этапа (см. рисунок).

В первый период процесса (I-й этап) осуществляется активизация веществ, которые должны вступить в реакцию горения за счет энергии q1 или q2 (энергии активации), получаемой системой извне. За этот период (продолжительность которого может быть различна, например ТА или ТА\') реагирующие молекулы должны получить необходимое возбуждение и вступить в контакт путем образования надлежащих горючих смесей. На этом этапе создаются условия для дальнейшего развития направленной химической реакции горения, идущей во II этапе.

Второй период процесса горения характерен резким выделением энергии за счет химических превращений. На этом этапе система развивает тот или иной тепловой потенциал ( ск tк ; с1 t1 или с2 t2 ) в зависимости от условий активации (КА - коэффициент активации) и степени изолирования процесса горения от потерь энергии. В конце этого этапа процесс горения переходит в состояние химико-динамического равновесия.

Третий период процесса горения – процесс горения находится в состоянии химико-динамического равновесия. Это период эксплуатации процесса горения, как источника получения тепловой энергии Q.

• Qрв - высшая теплота сгорания топлива (теоретическое, максимально возможное количество тепла) Q потерь =0 (система 1);
• tк - калометрическая температура сгорания топлива (теоретически максимально возможное значение температуры )(система 1);
• Q1 , Q2 - количество тепла, получаемое от сжигания топлива при различной степени активации процесса (системы 2 и 3);
• Q пот1 , Q пот2 - потери тепловой энергии (ситемы 2 и 3);
• t1 и t2 - максимальные температуры, развиваемые в ходе процесса горения (системы 2 и 3);
• т1, т2,т3 - время протекания первого и второго периодов процесса горения (для систем 1,2,3). На диаграмме показано, что количество тепловой энергии ( Q1 ; Q2 ) получаемой при сжигании одного и того же топлива в горелках (системы 2, 3) различно и отличается от количества полной тепловой энергии Qрв (система 1) на величину потерь ( Qпот1 ; Qпот2 ) .

Выводы:

Эффективное сжигание топлива в практических условиях учитывается по величине несгоревшего остатка (СО) в продуктах сгорания на выходе из промышленной печи. Эта оценка не учитывает действительную кинетическую схему, по которой протекали реакции горения компонентов смеси, фактические тепловые эффекты реакции горения, время протекания процесса и, как следствие, величину потерь тепловой энергии.

Для уменьшения величины потерь тепловой энергии необходимо применять горелочные устройства с высоким коэффициентом активации (КА) близким к единице. В настоящее время основной тип газовых горелок (ГНП, ГМГ и т.д.), установленных на отечественных печах и котлах, имеет КА=0,6-0,65. Коэффициент активации (КА) горелок серии ГСС-Р ТЕСКА® составляет 0,9-0,95, что позволяет экономить до 20% удельного расхода газообразного топлива.