A Gorący piec strzałowy to wielki piec do wytapiania żelaza zasilany powietrzem podgrzanym wstępnie — zwykle do temperatury 900–1300°C — przed wdmuchnięciem do pieca przez dysze zwane dyszami, a nie powietrzem o temperaturze pokojowej („zimnym podmuchem”). Samo podgrzewanie wstępne odbywa się w oddzielnym urządzeniu zwanym piecem na gorący podmuch (znanym również jako piec Cowpera), a powstałe ogrzane powietrze nazywa się „gorącym podmuchem”. Prawie każdy działający obecnie wielki piec wykorzystuje ten system, ponieważ podgrzane powietrze radykalnie zmniejsza zużycie paliwa i zwiększa wydajność w porównaniu z zimnymi wielkimi piecami używanymi przed latami trzydziestymi XIX wieku.
To rozróżnienie ma znaczenie, ponieważ podmuch gorącego powietrza to nie tylko drobna poprawka — to jedna z nielicznych innowacji, które przede wszystkim sprawiły, że produkcja żelaza na dużą skalę przy użyciu koksu stała się ekonomicznie opłacalna. Wielkie piece zasilane powietrzem podgrzanym do temperatury 900–1250°C mogą generować temperatury wytapiania rzędu 1650°C, znacznie zmniejszając zużycie koksu na tonę wyprodukowanego żelaza. Zrozumienie, jak działa system gorącego dmuchu i dlaczego temperatura powietrza ma tak duże znaczenie, jest kluczem do zrozumienia wydajności współczesnego wielkiego pieca.
System gorącego wielkiego pieca składa się z dwóch połączonych ze sobą urządzeń, które współpracują ze sobą: samego wielkiego pieca, w którym zachodzi reakcja wytapiania, oraz gorącego wielkiego pieca, w którym powietrze jest podgrzewane, zanim dotrze do pieca.
Piec składa się zasadniczo z pionowej, cylindrycznej stalowej obudowy wyłożonej cegłą szamotową, której wnętrze jest podzielone na dwie komory: komorę spalania, w której spalane są gazy z wielkiego pieca i innych źródeł paliwa, oraz komorę regeneracyjną wypełnioną szachownicą z cegły ogniotrwałej ogrzewaną spalonym gazem. Te ogniotrwałe „cegły szachownicowe” stanowią nośnik ciepła — pochłaniają ciepło podczas spalania i uwalniają je później, gdy przepuszczane jest przez nie świeże powietrze.
Piec z gorącym podmuchem nie działa w sposób ciągły w jednym trybie — przełącza się pomiędzy dwiema fazami. W okresie pracy na gazie (opalania) gaz opałowy jest spalany w celu ogrzania magazynu ciepła z cegły szachownicy; w okresie podmuchu powietrze jest podgrzewane poprzez przepływ przez ten magazyn ciepła. W okresie rozładunku po dmuchu świeże powietrze jest napędzane przez wentylator pod podwyższonym ciśnieniem przez nagrzane cegły, a po podgrzaniu do temperatury aż 1200°C, to powietrze – obecnie zwane gorącym podmuchem – jest wprowadzane na dno wielkiego pieca w celu wytapiania rudy żelaza.
Ponieważ w jednym piecu nie można jednocześnie podgrzewać gazu i powietrza, większość wielkich pieców jest obsługiwana przez trzy piece: podczas gdy dwa są podgrzewane, podmuch powietrza przechodzi przez komorę regeneracyjną trzeciego pieca w drodze do wielkiego pieca. Dzięki temu obrotowi wielki piec otrzymuje ciągły, nieprzerwany dopływ gorącego powietrza przez całą dobę.
Ogrzane powietrze przemieszcza się z pieca do pieca rurą odpływową, która rozprowadza je do dysz gorącego podmuchu, czyli dysz zamontowanych wokół podstawy pieca. Ponieważ temperatura gorącego podmuchu musi być utrzymywana na stałym poziomie, aby zapewnić dobrą wydajność pieca, a temperatura naturalnie spada w miarę schładzania pieca, gorący podmuch jest mieszany z kontrolowaną proporcją zimnego podmuchu w komorze mieszania, aby utrzymać stałą temperaturę zasilania nawet wtedy, gdy zużywa się ciepło zgromadzone w pojedynczym piecu.
Gorący podmuch nie jest wynalazkiem nowoczesnym — pochodzi z początków XIX wieku i stanowi jeden z kluczowych przełomów w historii przemysłowego hutnictwa żelaza. Do lat dwudziestych XIX wieku uważano, że zimne powietrze wytwarza żelazo lepszej jakości niż gorące, głównie dlatego, że zmniejszona wilgotność w chłodnym zimowym powietrzu była postrzegana jako korzystna.
Gorący podmuch został wynaleziony i opatentowany dla pieców żelaznych przez Jamesa Beaumonta Neilsona w 1828 roku w Wilsontown Ironworks w Szkocji. Neilson odkrył, że podnosząc temperaturę podmuchu do zaledwie 300°F (149°C), mógłby zmniejszyć zużycie paliwa z 8,06 ton węgla do 5,16 ton na tonę wyprodukowanego żelaza, przy czym dalsze obniżki można osiągnąć w wyższych temperaturach. Wyniki były dramatyczne i można je było szybko zweryfikować na dużą skalę: udokumentowane dane z Clyde Iron Works między 1829 a 1833 rokiem pokazują, że wytapianie koksu na zimno dmuchem zużywało 8,2 tony węgla na tonę żelaza i wytwarzało 37,5 tony surówki na piec tygodniowo, podczas gdy dmuch gorący przy użyciu koksu obniżył zużycie węgla do 5,3 tony i zwiększyło produkcję do 54,9 ton tygodniowo.
Oryginalny sprzęt Neilsona miał realne ograniczenia. Rury żeliwne umieszczone w piecu ceglanym miały różną charakterystykę rozszerzalności, w wyniku czego doszło do kilku pęknięć rur, a w sprzęcie dostarczającym zastosowano solidne dysze i elastyczne skórzane złącza, które nie wytrzymywały wysokich temperatur. Dopiero w 1860 roku Anglik Edward Alfred Cowper wynalazł pierwszy udany piec na gorący podmuch — regeneracyjną konstrukcję z szachownicy, która w wyrafinowanej formie do dziś stanowi standard branżowy. Szybkie przyjęcie, które nastąpiło, było uderzające: gorący podmuch był w powszechnym użyciu w Wielkiej Brytanii już w 1835 roku, zaledwie siedem lat po pierwotnym odkryciu Neilsona.
| Typ pieca | Węgiel zużyty na tonę żelaza | Tygodniowa produkcja surówki |
|---|---|---|
| Zimny podmuch koksem | 8,2 tony | 37,5 tony |
| Gorący podmuch koksu | 5,3 tony | 54,9 ton |
| Gorący podmuch węgla | 3,0 tony | 62,2 tony |
Głównym powodem działania gorącego dmuchu jest prosta termodynamika: zimne powietrze wpadające do pieca musi zostać podgrzane przez spalenie paliwa w piecu, zanim będzie mogło zrobić cokolwiek użytecznego, co powoduje marnowanie koksu na zwykłe podniesienie temperatury napływającego powietrza. Dzięki wstępnemu podgrzaniu podmuchu powietrza przed jego wejściem do pieca zwiększa się dopływ ciepła w postaci ciepła jawnego, które bezpośrednio zmniejsza ilość koksu.
Współczesne badania potwierdzają, że związek ten utrzymuje się w bardzo przewidywalnym tempie. Na każde 100°C wzrostu temperatury gorącego powietrza wylotowego dmuchu, zawartość koksu w wielkim piecu może zostać zmniejszona o 4–7%, wydajność może zostać zwiększona o 3–5%, a wydajność zatłaczania węgla odpowiednio wzrasta. Odrębne szacunki branżowe przedstawiają to w wartościach bezwzględnych: każde 10°C wzrostu temperatury gorącego dmuchu w rurze tłocznej zmniejsza ilość koksu wielkopiecowego o około 4 do 6 kg na tonę surówki.
Z tego też powodu w miarę rozwoju technologii pieców gorący podmuch stał się niezbędny, a nie opcjonalny. Obecnie uważa się, że wstępne podgrzanie dmuchu do temperatury około 1200°C jest niezbędne przy wtryskiwaniu pyłu węglowego przez dysze, ponieważ podmuch gorącego powietrza zapewnia szybsze nagrzewanie, pirolizę węgla i spalanie powstałych produktów gazowych.
Nie wszystkie piece nadmuchowe są zbudowane w ten sam sposób. W zależności od różnych układów i konstrukcji komory spalania i regeneratora, piece na gorący podmuch są ogólnie podzielone na trzy podstawowe formy konstrukcyjne: spalanie wewnętrzne, spalanie zewnętrzne i spalanie od góry. Wybór pomiędzy nimi jest w dużej mierze kwestią dostępnej powierzchni i do jakiej szczytowej temperatury gorącego podmuchu jest docelowa operacja.
W wersji ze spalaniem wewnętrznym piec składa się z cylindrycznej ściany ogniotrwałej z wewnętrzną pionową ścianą działową, która dzieli pojedynczy płaszcz na komorę spalania i komorę szachownicy zawierającą cegły szachownicy. Jest to bardziej zwarty, tradycyjny układ, ale ma ograniczenia konstrukcyjne: konstrukcja wewnętrznej komory spalania ze ścianką działową ma znane słabe punkty w rogach komory spalania.
Piece ze spalaniem zewnętrznym składają się z oddzielnej komory kontrolnej i komory spalania, połączonych krzyżownicą, a nie wspólną ścianą wewnętrzną. Rozdzielenie dwóch komór na odrębne powłoki eliminuje słaby punkt konstrukcji wewnętrznej związany z naprężeniami w narożnikach i ogólnie zapewnia wyższe temperatury szczytowe.
Nowsza kategoria pieców w ogóle nie ma komory spalania w konwencjonalnym znaczeniu - są to piece kopułowe, piece bezwałowe lub piece Kalugin. Ogólnie rzecz biorąc, technologia pieców na gorący podmuch, zwłaszcza konstrukcja i jakość materiałów ogniotrwałych, przeszła w ostatnich latach ogromne ulepszenia, osiągając poziom dojrzałości, który zapewnia dobrze zbudowanym piecom żywotność ponad 30 lat.
Ponieważ w różnych strefach pieca panują bardzo różne temperatury, nie można w nim zastosować pojedynczej cegły ogniotrwałej. Wybór materiału jest warstwowy w zależności od tego, jak naprawdę nagrzewa się każda sekcja komory kontrolnej.
To wielowarstwowe podejście – dopasowanie klasy materiału ogniotrwałego do rzeczywistego ciepła doświadczanego w każdej strefie – pozwala pojedynczemu piecowi bezpiecznie poradzić sobie z gradientem temperatury rozciągającym się od setek stopni od góry do dołu.
Piece dmuchowe pozwalają zaoszczędzić ogromne ilości koksu, ale same są znaczącymi konsumentami energii – fakt często pomijany przy ocenie ogólnej wydajności wielkiego pieca. Ilość gazu wielkopiecowego wymagana przez piece stanowi około 40% całkowitej produkcji gazu wielkopiecowego, a zużycie energii przez piec może osiągnąć 25% całkowitego zużycia energii w zakładzie.
W przeliczeniu na tonę liczby są równie wymowne: w oparciu o dane z sześciu wydajnych systemów gorącego dmuchu na całym świecie, średnie całkowite zapotrzebowanie na energię pierwotną wynosi 1,8 GJ na tonę surówki w przypadku pieców dmuchowych w porównaniu z 11,6 GJ na tonę w przypadku samego wielkiego pieca. Oznacza to, że system pieca, choć w wartościach bezwzględnych mniejszy pod względem energii od pieca, nadal stanowi znaczący i możliwy do kontrolowania udział w całkowitym zużyciu energii w zakładzie – i to taki, w którym wzrost wydajności przekłada się bezpośrednio na oszczędności koksu.
Praktyczne ulepszenia w działających zakładach wykazały to raczej w liczbach rzeczywistych niż w teorii. Udokumentowane wyniki optymalizacji baterii pieców u zintegrowanych producentów stali w USA obejmują zmniejszenie zużycia paliwa w piecach o 8 do 15 kg na tonę surówki oraz wzrost temperatury gorącego podmuchu o 15°C do 30°C, co przekłada się na zmniejszenie ilości koksu o około 6 do 12 kg na tonę surówki.
Dla każdego, kto obsługuje lub ocenia system gorącego wielkiego pieca, kilka parametrów w sposób spójny określa, jak dobrze działają piece oraz gdzie zwiększa się lub traci wydajność.
Producenci OEM/ODM wysokowydajnych urządzeń spalania i urządzeń termicznych
