Čo je to horúca tryskacia pec? Pracovný princíp a efektivita

Čo je to horúca vysoká pec?

A Horúca tryskacia pec je vysoká pec na výrobu železa dodávaná vzduchom, ktorý bol predhriaty – zvyčajne na 900 – 1 300 °C – predtým, ako je vháňaný do pece cez dýzy nazývané dúchadlá, namiesto toho, aby bol privádzaný vzduchom pri izbovej teplote („studený prúd“). Samotné predhrievanie prebieha v samostatnom zariadení, ktoré sa nazýva teplovzdušné kachle (tiež známe ako kachle Cowper) a výsledný ohriaty vzduch je to, čo sa nazýva „horúci prúd“. Takmer každá vysoká pec v súčasnosti používa tento systém, pretože predhriaty vzduch dramaticky znižuje spotrebu paliva a zvyšuje výkon v porovnaní so studenými vysokými pecami používanými pred 30. rokmi 19. storočia.

Na rozdiele záleží, pretože horúci nápor nie je len malým vylepšením – je to jedna z mála inovácií, vďaka ktorým je výroba železa na koks vo veľkom meradle ekonomicky životaschopná. Vysoké pece napájané vzduchom predhriatym na 900 – 1 250 °C môžu vytvárať teploty tavenia okolo 1 650 °C, čím sa výrazne znižuje spotreba koksu na tonu vyrobeného železa. Pochopenie toho, ako funguje systém horúceho dúchania – a prečo na teplote vzduchu tak záleží – je kľúčom k pochopeniu účinnosti modernej vysokej pece.

Ako funguje systém Hot Blast

Systém horúcej vysokej pece je postavený okolo dvoch spojených častí zariadenia, ktoré spolupracujú: samotnej vysokej pece, kde prebieha taviaca reakcia, a pece (kachlí), kde sa vzduch ohrieva skôr, ako vôbec dosiahne pec.

Horúca pec (Cowper Sporák)

Kachle sú v podstate zvislý valcový oceľový plášť obložený šamotovou tehlou, s vnútorným priestorom rozdeleným na dve komory: spaľovaciu komoru, kde sa spaľujú plyny z vysokej pece a iných zdrojov paliva, a regeneračnú komoru vyplnenú šachovnicou zo žiaruvzdornej tehly vyhrievanej spáleným plynom. Tieto žiaruvzdorné „kárové tehly“ sú teplom akumulujúcim médiom – počas spaľovania absorbujú teplo a uvoľňujú ho neskôr, keď sa cez ne pretlačí čerstvý vzduch.

Cyklus On-Gas a On-Blast

Horúca pec nepracuje nepretržite v jednom režime – strieda sa medzi dvoma fázami. Počas periódy zapnutia plynu (vypaľovania) sa spaľuje vykurovací plyn na zahriatie šachovnicového tepelného zásobníka; počas doby zapnutia sa vzduch ohrieva jeho prúdením cez tento tepelný zásobník. Počas doby vypúšťania fúkaním je čerstvý vzduch poháňaný ventilátorom pod zvýšeným tlakom cez ohrievané tehly a po zahriatí až na 1 200 °C sa tento vzduch – teraz nazývaný horúci dúch – privádza do spodnej časti vysokej pece na tavenie železnej rudy.

Pretože jedna pec nemôže súčasne ohrievať plyn a ohrievať vzduch, väčšina vysokých pecí je obsluhovaná tromi pieckami: kým sa ohrievajú dve, prúd vzduchu prechádza cez regeneračnú komoru tretej pece na ceste do vysokej pece. Táto rotácia umožňuje vysokej peci nepretržitý a neprerušovaný prívod horúceho vzduchu po celý deň.

Od sporáka po Tuyeres

Ohriaty vzduch putuje z kachlí do pece cez rušnú rúrku, ktorá ho rozvádza do trysiek horúceho prúdu alebo dúchadiel namontovaných okolo základne pece. Pretože pre dobrú účinnosť pece je potrebné udržiavať konštantnú teplotu horúceho prúdu vzduchu a teplota prirodzene klesá, keď sa kachle ochladzujú, horúci prúd vzduchu sa zmiešava s kontrolovaným podielom studeného prúdu vzduchu v zmiešavacej komore, aby sa udržala konštantná výstupná teplota, aj keď sa spotrebúva akumulované teplo jednotlivých kachlí.

História technológie Hot Blast

Horúci výbuch nie je moderný vynález – pochádza zo začiatku 19. storočia a predstavuje jeden z kľúčových prelomov v histórii priemyselného železiarstva. Až do 20. rokov 19. storočia sa v skutočnosti predpokladalo, že studený vzduch produkuje kvalitnejšie železo ako horúci vzduch, najmä preto, že znížená vlhkosť chladného zimného vzduchu bola považovaná za prospešnú.

Neilsonov objav z roku 1828

Horúci prúd vzduchu vynašiel a patentoval pre železné pece James Beaumont Neilson v roku 1828 vo Wilsontown Ironworks v Škótsku. Neilson zistil, že zvýšením teploty výbuchu na iba 300 °F (149 °C) by mohol znížiť spotrebu paliva z 8,06 tony uhlia na 5,16 tony na tonu vyrobeného železa, pričom ďalšie zníženie je možné dosiahnuť pri vyšších teplotách. Výsledky boli dramatické a rýchlo overiteľné v mierke: zdokumentované údaje z Clyde Iron Works medzi rokmi 1829 a 1833 ukazujú, že pri tavení koksu za studena sa spotrebovalo 8,2 tony uhlia na tonu železa a vyrobilo sa 37,5 tony surového železa na pec za týždeň, kým horúcim vzduchom s koksom sa spotreba uhlia znížila na 5,3 tony a produkcia sa zvýšila na 54,9 tony za týždeň.

Cowperov dizajn kachlí z roku 1860

Neilsonovo pôvodné vybavenie malo skutočné obmedzenia. Liatinové rúry uložené v tehlovej peci mali rôzne expanzné charakteristiky, čo viedlo k niekoľkým prasknutým rúram a dodávacie zariadenie využívalo pevné dúchadlá a pružné kožené spoje, ktoré nevydržali vysoké teploty. Až v roku 1860 Angličan Edward Alfred Cowper vynašiel prvú úspešnú piecku s horúcim prúdom – regeneratívny dizajn z kockových tehál, ktorý je v rafinovanej forme dodnes priemyselným štandardom. Rýchle prijatie, ktoré nasledovalo, bolo zarážajúce: horúci výbuch sa všeobecne používal v celej Veľkej Británii v roku 1835, len sedem rokov po Neilsonovom pôvodnom objave.

Prečo predhriaty vzduch znižuje spotrebu koksu

Hlavným dôvodom, prečo funguje horúci vzduch, je jednoduchá termodynamika: studený vzduch vstupujúci do pece sa musí zohriať spaľovaním paliva vo vnútri pece predtým, ako môže urobiť čokoľvek užitočné, čím sa plytvá koksom na jednoduché zvýšenie teploty vstupujúceho vzduchu. Predhriatím prúdu vzduchu pred jeho vstupom do pece sa zvyšuje prívod tepla vo forme citeľného tepla, ktoré priamo znižuje rýchlosť koksu.

Moderný výskum potvrdzuje, že vzťah sa drží veľmi predvídateľnou rýchlosťou. Každým zvýšením teploty výstupného vzduchu horúceho dúchania o 100 °C sa pomer koksu z vysokej pece môže znížiť o 4–7 %, výkon sa môže zvýšiť o 3–5 % a zodpovedajúcim spôsobom sa zvýši kapacita vstrekovania uhlia. Samostatný priemyselný odhad to vyjadruje v absolútnych číslach: každé zvýšenie teploty horúceho dúchania o 10 °C v rušnom potrubí znižuje rýchlosť koksu vo vysokej peci približne o 4 až 6 kg na tonu horúceho kovu.

To je tiež dôvod, prečo sa horúci vzduch stal skôr nevyhnutným ako voliteľným, pretože technológia pece pokročila. Predhrievanie výbuchom okolo 1200 °C sa teraz považuje za nevyhnutné, keď sa práškové uhlie vstrekuje cez dúchadlá, pretože prúd horúceho vzduchu zaisťuje rýchlejší ohrev, pyrolýzu uhlia a spaľovanie výsledných plynných produktov.

Typy konštrukcie teplovzdušných kachlí

Nie všetky teplovzdušné kachle sú postavené rovnakým spôsobom. Podľa rôznych usporiadaní a konštrukcií spaľovacej komory a regenerátora sa teplovzdušné kachle vo všeobecnosti delia na tri základné konštrukčné formy: vnútorné spaľovanie, vonkajšie spaľovanie a horné spaľovanie. Výber medzi nimi je do značnej miery otázkou toho, koľko podlahovej plochy je k dispozícii a na akú špičkovú teplotu horúceho rázu sa prevádzka zameriava.

Spaľovacie kachle

V prevedení s vnútorným spaľovaním pozostávajú kachle z valcovej žiaruvzdornej steny s vnútornou zvislou deliacou stenou, ktorá rozdeľuje jednoduchý plášť na spaľovaciu komoru a šachovnicovú komoru obsahujúcu žebrové tehly. Toto je kompaktnejšie, tradičné usporiadanie, ale prichádza so štrukturálnym obmedzením: konštrukcia spaľovacej komory s deliacou stenou má známe slabé miesto v rohoch spaľovacej komory.

Vonkajšie spaľovacie kachle

Kachle s vonkajším spaľovaním sa skladajú zo samostatnej šachtovej komory a spaľovacej komory, ktoré sú spojené skôr krížením než spoločnou vnútornou stenou. Oddelenie dvoch komôr do odlišných škrupín odstraňuje slabé miesto vnútorného dizajnu v oblasti namáhania rohov a vo všeobecnosti podporuje vyššie špičkové teploty.

Horné (kupolové) spaľovacie kachle

Novšia kategória kachlí nemá vôbec žiadnu spaľovaciu komoru v konvenčnom zmysle – tieto sú známe ako kupolové spaľovacie kachle, bezšachtové kachle alebo kachle Kalugin. Celkovo vzaté, technológia teplovzdušných pecí, najmä dizajn a kvalita ich žiaruvzdorných materiálov, prešla v posledných rokoch obrovskými zlepšeniami a dosiahla úroveň zrelosti, ktorá zaisťuje životnosť viac ako 30 rokov pre dobre postavenú pec.

Žiaruvzdorné materiály používané v teplovzdušných peciach

Pretože rôzne zóny kachlí majú veľmi rozdielne teploty, nie je možné použiť jednu žiaruvzdornú tehlu. Výber materiálu je vrstvený podľa toho, ako sa skutočne zahrieva každá sekcia šachovnice.

• Keď je cieľová teplota pece pod 900 °C, obyčajná šamotová tehla vo všeobecnosti postačuje.
• Pre cieľové teploty medzi 900 °C a 1 100 °C by vysokoteplotná výmurovka a žebrový žiaruvzdorný materiál mali prejsť na pálené tehly s vysokým obsahom oxidu hlinitého, mullitové tehly alebo silimanitové tehly.
• Horná časť regenerátora, ktorá je vystavená najextrémnejšiemu teplu, je zvyčajne postavená z kremičitej šachovnicovej tehly, zatiaľ čo stredná časť používa nízko dotvarované vysokohlinité, mullitové, sillimanitové a andaluzitové tehly a spodná časť používa hlinené šamotové tehly.

Tento vrstvený prístup – prispôsobenie stupňa žiaruvzdornosti skutočnému teplu, ktoré každá zóna zažíva – umožňuje jednému sporáku bezpečne zvládnuť teplotný gradient, ktorý siaha zhora nadol v stovkách stupňov.

Úvahy o spotrebe energie a účinnosti

Teplovzdušné kachle šetria obrovské množstvo koksu, ale samy sú významnými spotrebiteľmi energie – čo je skutočnosť často prehliadaná pri hodnotení celkovej účinnosti vysokej pece. Množstvo vysokopecného plynu, ktoré potrebujú kachle, predstavuje približne 40 % celkového výkonu vysokopecného plynu a spotreba energie kachlí môže dosiahnuť 25 % celkovej spotreby energie zariadenia.

Na základe tony sú čísla rovnako výpovedné: na základe údajov zo šiestich účinných systémov horúcich dúchadiel na celom svete je priemerná celková potreba primárnej energie 1,8 GJ na tonu horúceho kovu v prípade pecí s horúcim vzduchom v porovnaní s 11,6 GJ na tonu v samotnej vysokej peci. To znamená, že systém kachlí, hoci je v absolútnom energetickom vyjadrení menší ako pec, stále predstavuje zmysluplný a kontrolovateľný podiel na celkovej spotrebe energie v závode – a taký, kde sa zvýšenie účinnosti premieta priamo do úspor koksu.

Praktické zlepšenia v prevádzkových závodoch to ukázali skôr v reálnych číslach ako v teórii. Zdokumentované výsledky optimalizácie pece a batérie u integrovaných výrobcov ocele v USA zahŕňajú zníženie rýchlosti paliva v kachliach o 8 až 15 kg na tonu horúceho kovu a zvýšenie teploty horúceho fúkania o 15 °C až 30 °C, čo sa premietne do zníženia rýchlosti koksu približne o 6 až 12 kg na tonu horúceho kovu.

Kľúčové prevádzkové parametre na monitorovanie

Pre každého, kto prevádzkuje alebo hodnotí systém horúcej vysokej pece, niekoľko parametrov neustále určuje, ako dobre fungujú kachle a kde sa účinnosť získava alebo stráca.

1. Výstupná teplota horúceho dúchania v rušnom potrubí – zvyčajne sa pohybuje od 900 do 1 300 °C v závislosti od konštrukcie a stavu kachlí a je najväčšou pákou na rýchlosť koksu.
2. Teplota spaľovacej komory — odpadový plyn sa zmieša so vzduchom a spaľuje pri teplotách do 1500°C pred vstupom do skladu šachovnicových tehál.
3. Dĺžka cyklu rotácie kachlí – väčšina závodov prevádzkuje 3 kachle v 20-minútovom cykle ohrevu alebo 4 kachle v 15-minútovom cykle a správne načasovanie priamo ovplyvňuje, ako konzistentná zostane teplota dodávaného vzduchu.
4. Tlak fúkania na líci šachovnicovej tehly – čerstvý vzduch je typicky hnaný cez tehly pri zvýšenom tlaku až 10 barov počas doby výboja.
5. Stav kontrolných tehál a životnosť žiaruvzdornej kampane – degradácia v tomto prípade znižuje účinnosť prenosu tepla skôr, ako sa prejaví na výstupných číslach, a preto sa skorá detekcia pomocou analýzy spalín stala štandardnou monitorovacou praxou.