Сравнительный анализ кинетического и диффузионного режимов горения природного газа в горелках дуговой сталеплавильной печи

Введение

Диффузионное горение природного газа с технологическим кислородом рассмотрено при условии, когда газовая смесь образуется в свободном объеме печи за пределами горелки [1 – 3]. При диффузионном режиме сжигания газ и окислитель подают раздельно до их встречи на границе раздела потока газа и окислителя. За счет молекулярной диффузии образуется смесь, характерная для ламинарного диффузионного пламени при малых скоростях потоков или мольной диффузии, способствующей образованию крупномасштабной турбулентности, свойственной турбулентному диффузионному пламени. Смесь газа и окислителя частично образуется до момента ее воспламенения и в процессе горения, что создает большие трудности при анализе такого процесса. Температура, состав продуктов сгорания, их физические и теплофизические свойства в зоне горения, разделенной границей (фронт пламени) с исходной смесью, оказывают влияние как на первичную стадию – смешение, так и на скорость химических реакций.

Температура в зоне горения диффузионного пламени соответствует температуре горения стехиометрической предварительно перемешанной смеси при условии, что коэффициент температуропроводности равен коэффициенту взаимодиффузии газа и окислителя, а также отсутствуют теплопотери в окружающую среду. Основные положения теории диффузионного горения были разработаны и опубликованы в работах [4 – 6]. На действующих пламенных печах с учетом их конструктивных особенностей, технологического процесса, тепловых и температурных режимов целесообразно реализовать кинетический способ сжигания природного газа с кислородом, особенность которого состоит в подготовке предварительной хорошо перемешанной смеси [7 – 10]. Практически из цикла последовательно происходящих физико-химических процессов исключается подготовка смеси к горению. Нагрев и плавление исходных материалов фактически происходит только за счет тепло- и массообмена с продуктами сгорания при отсутствии горения углеводородов исходного газа [11 – 14].

Таким образом, целью работы является выполнение сравнительного анализа кинетического и диффузионного режимов горения природного газа с кислородно-воздушной смесью (КВС) в горелках  дуговых сталеплавильных печей (ДСП) на основе моделирования температурных полей и концентраций CO/H₂.

Задачи:

Сравнить характеристики факелов горелки VG (кинетический режим) и аналогов (VAI FUCHS, SMS DEMAG, НТПФ «Эталон») при сжигании природного газа с кислородом.

Оценить влияние режимов горения на:

– распределение температурных полей;

– максимальные концентрации CO и H₂.

Материалы и методы исследования

В работе проведено сравнительное исследование характеристик факелов при сжигании природного газа с КВС в горелочных устройствах различных конструкций. Исследование проводилось для:

– диффузионных горелок, применяемых на современных ДСП, производства фирм НТПФ «Эталон», SMS DEMAG и VAI FUCHS;

– горелки версии VG перспективной конструкции с кинетическим режимом горения, обеспечивающей предварительное смешение компонентов в диффузоре (рис. 1).

Проведение экспериментальных исследований требует значительных временных и финансовых затрат, связанных с разработкой методик испытаний и применением специализированного измерительного оборудования. В отличие от натурных экспериментов, компьютерное моделирование процессов горения предоставляет возможность оптимизировать конструкцию горелки без необходимости изготовления промежуточных вариантов, а также оперативно анализировать влияние конструктивных параметров и режимов работы на формирование факела и его характеристики. Компьютерное моделирование позволяет сократить сроки разработки и получить оценку эффективности различных конструктивных изменений и решений [15 – 17].

Моделирование процессов горения выполнено в программном комплексе ANSYS (модуль CFX) с применением:

– расширенной когерентной модели Flamelet (ECFM);

– расчета теплопереноса «Total Energy»;

– модели турбулентности «k-Epsilon».

Исходные граничные параметры для горелочных устройств:

– расход кислорода 0,553 кг/с (95 мас. %);

– расход природного газа 0,092 кг/с (состав природного газа приведен к эквивалентной концентрации метана 100 мас. %).

Изменение температуры (Т, К) максимальной концентрации оксида углерода (СО) и водорода (Н₂) в поперечном сечении продуктов сгорания по длине факела представлено на рис. 2 – 4.

В результате исследования факелов с кинетическим и диффузионным режимами горения получены сравнительные показатели работы горелок фирм НТПФ «Эталон»; VAI FUCHS; SMS DEMAG, создающих диффузионный режим горения, и горелки VG, создающей кинетический режим при равном расходе природного газа и кислорода.

Анализ полученных результатов позволяет выделить зоны интенсивного горения по минимальному значению концентраций CH₄ и максимальным температурам:

– для горелки НТП «Эталон» длиной 500 мм;

– для горелки VG длиной 100 – 200 мм;

– для горелки SMS DEMAG длиной 500 мм;

– для горелки VAI FUCHS длиной более 1000 мм.

Так же можно определить области возможного догорания по наличию CO и H₂. При этом наименьшие значения максимальных концентраций CO и H₂ в локальных объемах отмечаются для горелки VG 32 и 35 об. %, для диффузионных горелок различной конструкции диапазон составляет 36 – 42 и 41 – 56 об. % соответственно. Такое существенное различие в концентрациях (на 4 – 12 об. % для CO и на 6 – 14 об. % для H₂) свидетельствует о более полном и равномерном сгорании природного газа в кинетическом режиме по сравнению с традиционными диффузионными системами.

Критерием отсутствия риска проскока пламени принято считать отсутствие зон с температурой выше 800 °С во внутреннем объеме пространства горелки. Для исследуемых горелок зон с повышенной температурой в их объеме не выявлено. Максимальная температура продуктов сгорания в факеле горелок колеблется от 2757 до 2792 °С, в то же время скорость в локальных объемах газодинамического потока изменяется в широком диапазоне от 250 до 750 м/с (см. таблицу). Следует отметить, что температура продуктов сгорания горелки VG, равная 2776 °С, соответствует газодинамическому потоку, скорость которого в 1,15 – 3,75 раза выше, чем у горелок, создающих диффузионный режим горения [18; 19].

Оптимальная эффективность работы горелки VG в условиях дуговой сталеплавильной печи также может достигаться с соблюдением расстояния по высоте от зеркала расплава (уровня ванны), угла наклона в вертикальной плоскости и тангенциального движения продуктов сгорания в горизонтальной плоскости [15; 20]. Такая конфигурация потенциально позволяет максимально эффективно использовать тепловую энергию продуктов сгорания для быстрого и равномерного нагрева шихтовых материалов, что в конечном итоге способствует интенсификации сталеплавильного процесса, снижению энергопотребления и повышению общей производительности.

Выводы

Проведенные исследования демонстрируют преимущества горелки VG с кинетическим режимом горения по сравнению с диффузионными аналогами. Горелка VG обеспечивает полное и быстрое сжигание углеводородов исходной смеси и исключает режим «проскока» пламени во внутренний объем горелки.

Полученные результаты подтверждают перспективность внедрения горелок кинетического типа в современные сталеплавильные производства.