CC BY
22ОСОБЕННОСТИ СЖИГАНИЯ ГАЗА ПРИ ПЛАВКЕ ЧУГУНА
УДК 662.6
В.А. Грачев, чл.-корр. РАН, д.т.н., профессор, Неправительственный экологический фонд им. В.И. Вернадского, Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН (Москва, РФ), vagrachev0gmaii.com
В статье представлены оптимальные режимы сжигания газа при плавке чугуна. Приведены результаты исследований особенностей сжигания газа при плавке чугуна в газовых вагранках, что имеет большое значение для расширения использования в литейном производстве более экологичного, чем кокс, природного газа. Экспериментально доказано, что оптимальным с точки зрения получения максимальной температуры является процесс с некоторым недостатком воздуха, т. е. при а = 0,98.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: СЖИГАНИЕ ГАЗА, ПЛАВКА ЧУГУНА, ГАЗОВАЯ ВАГРАНКА, УГЛЕВОДОРОДЫ, ТЕМПЕРАТУРА СГОРАНИЯ.
Важнейшим условием получения высокой температуры металла является правильная организация процесса сжигания газа. Природный газ является смесью углеводородных газов и содержит в основном метан 80-95 %, этан 1-4 %, а также пропан, бутан, пентан и высшие углеводороды в незначительных количествах. Кроме того, в нем могут содержаться углекислый газ и азот. При сжигании природного газа можно получить температуру газов, достаточную для перегрева жидкого чугуна до 1450-1550 °С.
Температуру продуктов сгорания определяют по формуле: Qp - Q д vc пир' где tД - действительная температура продуктов сгорания, °С; ор- низшая теплотворная способность природного газа, кДж/нм3; Одисс- потери тепла на диссоциацию продуктов сгорания, кДж/нм3; V - объем /-го компонента продуктов сгорания, нм3/нм3; С, - теплоемкость /-го компонента продуктов сгорания, кДж/нм3 • град (ккал/нм3 • град);
Ппир - пирометрический коэффициент; ор, Vi, & определяются составом природного газа.
Величина ппир определяется конструктивными размерами топочного пространства и оказывает значительное влияние на температуру продуктов сгорания.
Потери тепла на диссоциацию продуктов сгорания Одисс понижают температуру продуктов сгорания, но сами, в свою очередь, зависят от температуры. Почти во всех промышленных печах температура газов редко превышает 1300-1500 °С, поэтому процессы диссоциации обычно не принимаются во внимание. Для перегрева чугуна в газовых вагранках необходима температура газов около 1700 °С.
Экспериментальное доказательство возможности получения в газовой вагранке конструкции автора температуры продуктов сгорания примерно 1730-1770 °С и наличия при этой температуре процессов диссоциации было сделано ранее [1-3]. В данной статье описан термодинамический анализ процессов диссоциации
при сжигании газа и многосопловой горелочной системе.
Продуктами полного сгорания природного газа являются углекислый газ и вода. В области слабой диссоциации имеют место следующие реакции диссоциации:
2С02 ^ 2СО + 02 - 01(+аН1), (1) 2Н20 ^ 2Н2 + 02 - 02(+аН2), (2) Н2+С02 Н20 + СО - 03(+аН3). (3)
Все реакции идут с поглощением тепла (-О) и увеличением энтальпии реагирующей смеси (+аН).
Приращения энтальпии, соответственно, равны +аН02) = 566 350 Дж, +аН°3) = 40 840 Дж.
О возможности и полноте протекания реакций диссоциации можно судить по величине изобарного термодинамического потенциала АG° образования С02 и Н20 и по величине степени диссоциации а, которая выражает отношение числа распавшихся молей данного компонента к первоначальному, исходному числу молей.
Grachev V.A., Member of the Russian Academy of Sciences, D.Sc. (Tech.), professor, The V.I. Vernadsky Nongovernmental Ecological Foundation, The A.N. Frumkin Institute of Physical Chemistry and Electrochemistry of the Russian Academy of Sciences, vagrachev@gmail.com
Features of gas combustion in smelting cast iron
The optimal gas combustion modes in smelting cast iron have been specified. The results of researches on features of gas combustion when smelting cast iron in gas cupola furnaces have been described. These results are essential for expansion of natural gas use in the foundry since natural gas is environmentally friendlier than coke. It has been experimentally proved that the optimum for obtaining the maximum temperature was a process with a certain lack of air, i.e. with a = 0.98.
KEY WORDS: GAS COMBUSTION, SMELTING CAST IRON, GAS CUPOLA FURNACE, HYDROCARBONS, COMBUSTION TEMPERATURE.
В табл. 1 приводятся характеристики прочности С02 и H2O.
Относительно высокое значение А30 в низкотемпературной области свидетельствует о значительном химическом родстве углерода и водорода к кислороду при низких температурах. Это подтверждается тем, что значения степени диссоциации продуктов сгорания очень низки, а при температурах около 2000 К степень диссоциации имеет большую величину. При температуре 2000 К процессы диссоциации оказывают значительное влияние на состав и свойства продуктов сгорания и на их температуру, что, в свою очередь, определяет теплотехнические и металлургические особенности плавки чугуна. Для характеристики окислительных свойств атмосферы можно привлечь величину кислородного потенциала п = ИТ 1пр02.
Значения кислородного потенциала, а также значения парциального давления кислорода для атмосферы, состоящей из СО2, СО и О2, при р = 0,1 МПа приведены в табл. 2.
Увеличение р02 и п0 с увеличением температуры свидетельствует об усилении окислительных свойств атмосферы. Таким образом, развитие процессов диссоциации может привести к нежелательному увеличению угаров элементов в чугуне. Вторым важным следствием процессов диссоциации является относительное понижение температуры продуктов сгорания.
Расчеты показывают, что при высоких температурах (2000 К)
Таблица 1. Характеристики прочности CO2 и H2O
Температура, - aG0 Степень
К Дж кал диссоциации
Характеристика прочности СО2
500 478 550 114 300 0,597■ 10-16
1000 391 000 934 000 0,428■ 10-6
1500 303 300 72 450 0,825■ 10-3
1600 285 440 68 160 0,213 ■ 10-2
1700 267 580 63 920 0,489■ 10-2
1800 250 920 59 940 0,103 ■ 10-1
1900 233 130 55 670 0,199 ■ 10-1
2000 215 200 51 400 0,362■ 10-1
2500 127 750 30 500 0,292
Характеристика прочности H2O
500 438 777 104 800 0,145 ■ 10-14
1000 384 641 91 870 0,550■ 10-6
1500 330 338 78 900 0,398■ 10-3
1600 319 537 76 320 0,907 10-3
1700 308 902 73 780 0,188 ■ 10-2
1800 297 681 71 100 0,358■ 10-2
1900 287 173 68 590 0,638■ 100-2
2000 276 329 66 000 0,107 10-1
2500 221 900 53 000 0,077■ 10
Таблица 2. Значения кислородного потенциала, значения парциального давления кислорода для атмосферы, состоящей из СО2, СО и О2, при 0,1 МПа
Температура, К Р02 , 0,1 МПа П , Дж
500 0,336■ 10-15 -148196
1000 0,128 ■ 10-6 -132 031
1500 0,092■ 10-3 -115 966
1600 0,210 ■ 10-3 -112 713
1700 0,436■ 10-3 -109 426
1800 0,082■ 10-2 -106 408
1900 0,148 ■ 10-2 -102 983
2000 0,249■ 10-2 -99 750
2500 0,175 ■ 10-1 -84 138
Таблица 3. Результаты первой серии опытов по выявлению зависимости температуры газов в камере перегрева от а
Замеряемые Номер замера
величины 1 2 3 4 5
Расход газа, нм3/ч 330 330 330 330 330
Расход воздуха, нм3/ч 3080 3180 3250 3320 3400
Состав сухих продуктов сгорания в камере перегрева при незагруженной шахте, % об.:
СО2 9,9 10,7 11,5 11,3 11,0
О2 - 0,2 0,3 0,6 1,1
Н2 0,8 0,4 0,3 0,1 0,1
СО 1,7 0,9 0,3 0,2 0,1
Температура газов в камере перегрева, °С (при незагруженной шахте) 1690 1710 1705 1700 1685
Коэффициент расхода воздуха 0,95 0,98 1,00 1,02 1,05
по анализу продуктов сгорания (а)
Состав сухих продуктов сгорания в камере перегрева при загруженной шахте, % об.:
СО2 10,0 10,8 11,7 11,5 11,1
О2 - - 0,1 0,5 1,1
СО 1,6 0,6 0,1 0,1 -
Н2 0,8 0,3 0,1 - -
СН4 - - - - -
Температура газов в камере перегрева, °С (при загруженной шахте) 1660 1675 1680 1670 1660
0 1760 8 1750 о. 1740
& 1730
<ц
с 1720
<ц
% 1710
1 1700 « 1690
8 1680
га
га 1670
£ 1660
Ц 1650
О
Л 1640
£ 1630
0,9 0,95 1,00 1,05 1,10
Коэффициент расхода воздуха
Рис. 1. Зависимость температуры газов в камере перегрева от коэффициента расхода воздуха при сжигании газа в многосопловой горелочной системе: 1,2 - газовая вагранка производительностью 3 т/ч (незагруженная и загруженная шахты, соответственно); 3,4 - газовая вагранка производительностью 7-10 т/ч (незагруженная и загруженная шахты, соответственно). Кривые 1-4 - для скорости выхода ГВСЦ = 49,2 нм/с; 5 - газовая вагранка производительностью 7-10 т/ч (незагруженная шахта) при скорости выхода ГВСЦ = 91,9 нм/с
потери тепла на диссоциацию и вызванное этим понижение температуры являются ощутимыми. Для выяснения степени влияния режимных факторов - коэффициента расхода воздуха и скорости выхода газовоздушной смеси (ГВС) - на температуру и состав газовой фазы было проведено несколько серий опытов:
1-я серия - на газовой вагранке производительностью 3 т/ч при расходе газа 330 нм3/ч и коэффициентах расхода воздуха а = 0,95; 0,98; 1,00; 1,02; 1,05 были произведены замеры температуры и состава газов в камере перегрева при незагруженной и загруженной шахтах. Газовая вагранка в этой серии опытов имела 29 сопел диаметром 30 мм. Скорость выхода ГВС составляла 49,2 нм/с при а = 1;
2-я серия - на газовой вагранке производительностью 7-10 т/ч при расходе газа 600 нм3/ч и коэффициентах расхода воздуха а = 0,95; 0,98; 1,02; 1,05 были произведены замеры температуры и состава газов в камере перегрева при незагруженной и загруженной шахте. Газовая вагранка в этой серии опытов имела 53 сопла диаметром 30 мм. Скорость выхода ГВС при а = 1 составляла 49,2 нм/с;
3-я серия - на газовой вагранке производительностью 7-10 т/ч при расходах газа 300-1200 нм3/ч при незагруженной шахте производились замеры температур в камере перегрева. Газовая вагранка имела в этой серии опытов 53 сопла диаметром 25 мм. Коэффициент расхода воздуха поддерживался постоянным а = 0,98;
4-я серия - на газовых вагранках производительностью 3 и 7-10 т/ч во время работы вагранки при различных количествах и диаметрах сопел производились замеры температуры газов в камере перегрева при различных расходах газа. Коэффициент расхода воздуха поддерживался в пределах а = 0,98-1,02.
Во всех сериях опытов температура замерялась воль-
фрам-молибденовыми термопарами, оснащенными специальной арматурой с защитными чехлами из оксида алюминия.
Пробы газа отбирались путем быстрого пропускания газов под давлением в печи через газоотборную трубку. Это обеспечивает быстрое их попадание в охлаждаемую часть трубки, где фиксируется состав газа. При сильном нагреве трубки ее охлаждали водой или воздухом. Однако, как показал опыт, при быстром пропускании и дальнейшем отборе одной порции газов трубка не перегревается.
Результаты первой серии опытов по выявлению зависимости температуры газов в камере перегрева от а представлены в табл. 3 и кривыми 1 и 2 на рис. 1. Эти кривые построены по результатам замеров, приведенных в табл. 3, и по результатам замера температуры газов в камере перегрева при а = 0,9; 1,1.
Из приведенных данных видно, что максимальная температура газов при работе вагранки на холостом ходу наблюдается при а = 0,98.
Анализ продуктов сгорания в камере перегрева при различных а, приведенных в табл. 3, показывает, что с увеличением коэффициента расхода воздуха увеличивается содержание кислорода в продуктах сгорания и уменьшается содержание СО и Н2; содержание СО2 при повышении а до 1,0 повышается, а затем падает. Максимальное содержание СО2 при 1705 °С равно 11,5 %, тогда как по расчетам СО2 - 11,7-11,96 %.
2тах ' '
Результаты второй серии опытов приведены в табл. 4. Характер изменения температуры в зависимости от коэффициента расхода воздуха такой же, как и для газовой вагранки производительностью 3 т/ч, а величина температур несколько больше, что объясняется относительно меньшими потерями тепла.
Можно также отметить, что в интервале значений а от 0,98 до
Таблица 4. Результаты второй серии опытов по выявлению зависимости температуры газов в камере перегрева от а
Замеряемые Номер замера
величины 1 2 3 4 5
Расход газа, нм3/ч 600 600 600 600 600
Расход воздуха, нм3/ч 5700 5880 6000 6120 6300
Состав сухих продуктов сгорания в камере перегрева при незагруженной шахте, % об.:
СО2 9,8 10,7 11,4 11,3 11,0
О2 - 0,2 0,3 0,6 1,1
СО 1,5 0,9 0,3 0,2 0,1
Н2 0,6 0,4 0,3 0,2 0,1
СН4 0,1 - - - -
Температура газов в камере перегрева, °С (при незагруженной шахте) 1700 1720 1710 1705 1695
Коэффициент расхода воздуха по анализу продуктов сгорания 0,95 0,98 1,00 1,02 1,05
Состав сухих продуктов сгорания в камере перегрева при загруженной шахте, % об.:
СО2 9,9 10,9 11,6 11,4 11,1
О2 - - 0,1 0,5 1,2
Н2 0,8 0,3 0,1 - -
СО 1,6 0,6 0,1 0,1 -
Температура газов в камере перегрева,°С (при загруженной шахте) 1680 1700 1695 1690 1675
1,02 температура газов изменяется незначительно, что создает благоприятные условия для работы при небольших колебаниях расхода воздуха. Однако с увеличением а возрастает окислительная способность газовой фазы печи.
Результаты третьей серии опытов приведены на рис. 2 (кривая 1). Из приведенных данных видно, что с повышением скорости выхода ГВС повышается температура газов в камере перегрева. Характер изменения температуры в зависимости от скорости выхода ГВС различен. При сжигании смеси со скоростью выхода ее из сопел в интервале 75-115 нм/с достигается постоянная высокая температура продуктов сгорания.
Для определения максимальной температуры было проведено дополнительное исследование зависимости температуры
газов от коэффициента расхода воздуха, которое проводилось при расходе газа 850 нм3/ч и а = 0,95; 0,98; 1,00; 1,02 и 1,05. Скорость выхода ГВС соответствовала абсциссе максимума температуры кривой 1 на рис. 3. Из приведенных данных следует, что максимальная температура 1750 °С наблюдается при а = 0,98. Высокая температура газов и плавный характер ее изменения в широком интервале скоростей выхода смеси из сопел многосопловой горелочной системы объясняются влиянием скорости выхода смеси на длину факела. С одной стороны, она является фактором, укорачивающим факел за счет увеличения турбулентности потока. С другой -увеличение скорости естественно вызывает относительное вытягивание всех зон факела путем ускорения чисто физического
Рис. 2. Зависимость температуры газов в камере перегрева от скорости выхода ГВС: 1 - для газовой вагранки производительностью 7-10 т/ч с подачей ГВС через 53 сопла диаметром 25 мм при незагруженной шахте; 2, 3 - для газовой вагранки производительностью 3 т/ч с одной горелкой при незагруженной и загруженной шахте, соответственно; 4-8 - для газовой вагранки с многосопловой горелочной системой при загруженной шахте
Рис. 3. Зависимость температуры газов в камере перегрева от скорости выхода ГВС при различных расходах газа для газовой вагранки производительностью 7-10 т/ч с диаметром камеры перегрева 1300 мм: 1 - 700 нм3/ч; 2 - 600 нм3/ч; 3 - 500 нм3/ч
переноса частиц в направлении потока. Увеличение температуры в камере перегрева с увеличением скорости выхода ГВС является следствием уменьшения длины факела, вызванного увеличением турбулентности потока.
Итак, в результате третьей серии опытов установлен необходимый интервал скоростей выхода ГВС из сопел и = 75-115 нм/с. При
этих скоростях обеспечивается максимальная температура газов в камере перегрева. Однако получение высоких скоростей выхода смеси связано с увеличением аэродинамического сопротивления горелочных систем, что ограничивается реальной мощностью воздуходувных средств.
Четвертая серия опытов была проведена на ряде газовых вагра-
Рис. 4. Первая в мире газовая вагранка с уступами в шахте и производительностью 7 т/ч. Авторы: Грачев В.А., Черный А.А. и др. Внедрены на Пензенском компрессорном заводе и других заводах страны
нок во время их производственной работы. При этом изменялись число сопел горелочной системы, их диаметр, расход газа и воздуха. Коэффициент а поддерживался постоянным в интервале 0,98-1,02.
Результаты этой серии опытов приведены в табл. 5. Из приведенных данных видно, что во всех случаях с увеличением скорости ГВС температура газов возрастает и при скорости 75 м/с стабилизируется. Каждая кривая 4-8 (рис. 2) характеризует изменение температуры в зависимости от скорости при неизменных конструктивных параметрах камеры перегрева. Кроме того, на температуру влияют тепловое напряжение объема камеры перегрева и относительная величина тепловых потерь к общему количеству тепла.
Влияние скорости выхода ГВС на температуру газов представлено на рис. 3. Приведенные данные показывают, что с увеличением скорости температура газов повышается, что можно объяснить интенсификацией турбулентного
Таблица 5. Результаты четвертой серии опытов по выявлению зависимости температуры газов в камере перегрева от а
Номер графика на рис. 2 Характеристика газовой вагранки (производительность, т/ч) Характеристика выходных сопел Число Общая мм 2 сопел площадь, м2 Расход газа, нм3/ч Расход воздуха, м3/ч Скорость выхода ГВС, нм/с Температура газов в камере перегрева (при загруженной шахте), °С
4 3 30 29 0,0205 280 2800 41,7 1680
330 3300 49,2 1685
380 3800 56,6 1690
440 4400 65,5 1690
5 7-10 30 53 0,0374 500 5000 40,9 1680
600 6000 49,2 1695
650 6500 53,2 1700
700 7000 57,3 1705
750 7500 61,3 1705
6 7-10 25 53 0,0264 500 5000 57,8 1695
600 6000 69,5 1710
650 6500 75,3 1720
700 7000 81,0 1725
7 7-10 (после изменения числа сопел) 30 39 0,0276 500 5000 55,3 1690
550 5500 60,9 1700
600 6000 66,5 1710
680 6800 75,3 1725
700 7000 77,5 1725
8 7-10 (после изменения числа сопел) 25 30 0,0195 350 3500 54,8 1680
400 4000 62,7 1690
450 4500 70,5 1700
480 4800 75,3 1715
500 5000 78,5 1715
Рис. 7. Вагранка газовая, производительность 20 т/ч, внедрена на АМО-ЗИЛ. Технические характеристики: расход природного газа: 1800-2100 м2/ч; расход воздуха при сжигании газа составляет 18 000-21 000 м2/ч при коэффициенте расхода воздуха а = 1,0; температура жидкого чугуна: 1480-1530 °С. Состав огнеупорной насадки: бой шамотного огнеупора (размеры сторон не менее 65 мм) - 33 %, бой высокоглиноземистого огнеупора (размеры сторон не менее 120 мм) -33 %, бой графитовых электродов (куски 100-300 мм) - 34 %. Высота огнеупорной насадки - 1200 мм, масса огнеупорной насадки - 5,6 т, число приборов сжигания - горелка газовая типа ГВК 150 - 12 шт.
перемешивания продуктов сгорания с ГВС, в результате чего длина факелов сокращается, и происходит концентрация тепла.
Проведенные исследования по режимам сжигания газа позволяют признать оптимальными для газовых вагранок на холодном дутье коэффициент расхода воздуха а = 0,98 и оптимальную скорость выхода ГВС 75 нм/с.
Опыт внедрения газовых вагранок в производство подтвердил эти экспериментальные данные. На основе проведенных исследований, а также многочисленных полупромышленных и промышленных экспериментов разработаны работоспособные конструкции газовых вагранок с уступами в шахте (рис. 4), с перемычкой в шахте и с выносной камерой перегрева (рис. 5), в которых впервые в промышленном масштабе выплавляется чугун для заливки сложного ответственного литья для компрессоров.
Опыт эксплуатации газовых вагранок на ПО «Пензкомпрес-сормаш», Гомельском заводе РМЗ, Волгоградском ВСПКЗ, Чебоксарском заводе металлоизделий и др. показал их высокую эффективность: резко сокращаются вредные выбросы в атмосферу, улучшается качество чугуна, снижаются затраты на топливо. Высокое качество чугуна газовой плавки доказано многолетней работой газовых вагранок в производственных условиях.
Опыт внедрения газовых вагранок по лицензии на итальянской фирме «Аччаерие е Ферриере Пульези» (рис. 6) показал, что в газовых вагранках можно получать чугун с температурой до 1510 °С и содержанием серы 0,015 %. Применение высококачественных огнеупоров гарантирует надежную работу вагранок.
Сведения, полученные от фирмы, и многолетний опыт показали, что в этих вагранках можно получать широкий диапазон марок серого чугуна, в том числе высокоуглеродистых (3,8-3,9 % С). Вагранки работают по 16 часов в сутки, причем 12-15 кампаний подряд работает без ремонта одна вагранка, после чего заменяется футеровка свода; футеровка шахты меняется через 90 кампаний. Производительность вагранок составила 8 т/ч (при нормальной 6 т/ч).
Исследования в нашей стране стимулировали аналогичные исследования за рубежом, и сейчас газовые вагранки уже внедрены в Англии, Египте, Германии и Иране. Технико-экономические и экологические соображения говорят о перспективности газовой плавки чугуна.
Самая большая газовая вагранка была построена и испытана на ЗИЛе (рис. 7). Проведенная работа показала перспективность рассмотрения применения природного газа в литейном производстве. ■
ЛИТЕРАТУРА
1. Грачев В.А. Разработка и опыт внедрения в литейное производство газовых вагранок // Литейщик России. 2016. № 5. С. 17-21.
2. Grachev V. Thermodynamic Characteristics of Phase Interaction During Melting of Cast Iron Under Conditions of Temperature Fluctuations. International Journal of Applied Engineering Research, JSSN 0973-4562, Vol. 11, No. 13, 2016.
3. Grachev V. Quality of Cast Iron Smelted in a Gas Cupola Furnace as Constructional Materials. International Journal Engineering Research, JSSN 0973-4562, Vol. 11, No. 13, 2016.
REFERENCES
1. Grachev V.A. Development and Experience of Putting Gas Cupola Furnaces into Foundry Production. Liteischik Rossii = Russia's Founder, 2016, No. 5, P. 17-21. (In Russian)
2. Grachev V. Thermodynamic Characteristics of Phase Interaction During Melting of Cast Iron Under Conditions of Temperature Fluctuations. International Journal of Applied Engineering Research, JSSN 0973-4562, Vol. 11, No. 13, 2016.
3. Grachev V. Quality of Cast Iron Smelted in a Gas Cupola Furnace as Constructional Materials. International Journal Engineering Research, JSSN 0973-4562, Vol. 11, No. 13, 2016.
