Теплообмен в доменных печах

В доменной печи шихта двигается сверху вниз, а рас­каленные газы двигаются снизу вверх. Таким образом, осу­ществляется противоток газа и шихты. Характер теплооб­мена между газом и кусками шихты зависит от соотношения их водяных эквивалентов. Водяным эквивалентом га­за (шихты) называют произведение расхода газа (шихты) на его (ее) теплоемкость, т.е.

W _г = G _г c _г; W _ш = G _ш c _ш,

где W _г и W _ш— водяные эквиваленты газа и шихты, Вт/К;

G _г и G _ш — расход газа и шихты, кг/с или м³/с;

с _г и с _ш — теплоемкость газа и шихты, Дж/(кг× К) или Дж/(м³× К).

Соотношение между водяными числами газа и шихты оказывает существенное влияние на теплообмен в шахтных печах. Характерными являют­ся две противоточные схемы теплообмена, представленные на рис. 110.

Если водяной эквивалент газового потока больше водя­ного эквивалента потока ших­ты, т.е. W _г > W _ш, то темпера­тура шихты достигает началь­ной температуры теплоносите­ля (газа) Т _г^', а теплоноситель выходит из теплообменника с температурой Т _г^''.

В этом случае при сохране­нии постоянным коэффициен­та теплопередачи и соотноше­ния водяных эквивалентов по высоте шахтной печи темпера­туру шихты на различных го­ризонтах шахты можно определять по приближенному уравнению Б. И. Китаева:

, (102)

где – числовой коэффициент, зависящий от критерия Био;

a _u — коэффициент теплоотдачи на единицу объема шихты, Вт/(м³× К);

f — пористость слоя шихты (доли единицы), равная отношению объема, незанятого кусками шихты, ко всему объему;

t —- время от начала загрузки, шихты, с;

Н —- высота положения шихтовых материалов, м.

Когда водяной эквивалент шихты больше водяного эк­вивалента газа, т.е. W _ш > W _г, газы отдают все свое тепло шихте и охлаждаются до температуры поступающей ших­ты Т _ш. Однако этого тепла не хватает, чтобы нагреть ших­ту до начальной температуры газов. Шихта после теплооб­мена будет недогретой, ее температура Т _шбудет ниже температуры поступающих в шахту газов Т _г.

Для определения температуры газа на различных гори­зонтах шахты при этой схеме теплообмена можно исполь­зовать второе приближенное уравнение Б. И. Китаева:

. (103)

Для определения температуры шихты используют урав­нение теплового баланса:

.

Определение коэффициентов теплоотдачи в шахтных пе­чах представляет собой большую сложность, поскольку форма н размер кусков шихты являются крайне неопреде­ленными.

Эта сложность углубляется так же тем, что и расстоя­ние между кусками является весьма неопределенным. Теп­лообмен от газов к кускам шихты осуществляется тремя видами теплопередачи: конвекцией, теплопроводностью и излучением, с переменным удельным значением каждого вида передачи тепла. Преобладающее значение имеет теп­лопередача конвекцией, так как расстояние между куска­ми весьма мало и тепловое излучение невелико.

Все это вызвало необходимость использовать в расче­тах теплообмена в шахтных печах коэффициенты теплоот­дачи на единицу объема a _u [Вт/(м³× К)] и на единицу по­верхности a _F [Вт/(м²× К)], связанные между собой следую­щим соотношением:

a _u = a _F F (1 – f), (104)

где F — средняя удельная поверхность кусков шихты (м²/м³).

Для определения коэффициента теплоотдачи на едини­цу поверхности кусков могут быть использованы эмпириче­ские уравнения. Одно из таких уравнений, полученное А. Н. Чернятиным, имеет следующий вид

Nu = 0, 53 Y ^{0, 34} Re ^{0, 66}, (105)

где Y — коэффициент формы, учитывающий потери поверх­ности в местах контактов между кусками. Для кусков руды Y = 0, 86.

Используя выражения (104) и (105), можно найти ко­эффициенты a _F и a _u, необходимые для расчетов по уравне­ниям (102) и (103).

В реальных условиях работы доменной печи наблюдаются отклонения в постоянстве соотношения водяных экви­валентов, вызванные влиянием физико-химических процессов, протекающих в объеме печи.

В условиях работы доменной печи по ее высоте разгра­ничивают три зоны теплообме­на (рис. 111): 1) верхняя зона, в которой теплообмен происходит в условиях W _г > W _ш и тепло газа используется не полностью; 2) средняя зона, в ко­торой теплообмен происходит вследствие протекающих в ней экзотерми-ческих реакций, и 3) нижняя зона (при W _г < W _ш), в которой наблюдает­ся самый интенсивный тепло­обмен.

Эти положения объясняют ряд известных положений, замеченных на практике. Например, тепло нагретого дутья полностью используется в нижней части печи, поскольку здесь W _г < W _ш и происходит интенсивный теплообмен; введение кислорода в дутье или уменьшение удельного расхо­да кокса снижает температуру колошника благодаря тому, что уменьшаются количество газов и W _г.