ВВЕДЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ В ШАХТНУЮ ПЕЧЬ С ПРОВЕРКОЙ ТЕКУЩЕГО СОСТОЯНИЯ ИНЖЕКТОРА
INJECTION OF TECHNOLOGICAL FLUID INTO SHAFT FURNACE WITH CHECKING CURRENT STATE OF INJECTOR

Настоящее изобретение относится к эксплуатации шахтных печей.
Термин «шахтная печь» относится к вертикальным печам шахтной или колоннообразной формы, в которых происходит горение. Примерами шахтных печей являются ваграночные печи и доменные печи. Примеры таких процессов, в которых используются шахтные печи, включают, но без ограничения, сжигание твердых отходов, восстановление железной руды с получением чугуна в чушках, плавку металлов и минеральной шерсти и т.д.
В уровне техники принято вводить текучие среды, например, обогащенный кислородом газ, в шахтную печь.
С целью обеспечения сравнительно высокого уровня проникновения текучей среды в шахтную печь, в частности, известно введение текучих сред в шахтную печь на звуковой или сверхзвуковой скорости.
Введение осуществляют посредством набора трубок, также называемых в данном документе инжекторами или фурмами, которые распределены по периметру печи.
Эти инжекторы должны работать в особенно тяжелых условиях и могут быть легко повреждены. В частности, высокие температуры внутри шахтной печи могут привести к температурному повреждению инжектора, такому как растрескивание, частичное расплавление или размягчение и деформирование, и при этом могут быть образованы отложения на инжекторе и/или вокруг него, причем данные отложения могут частично или даже целиком блокировать инжекционное отверстие инжектора или изменить направление, в котором текучая среда вводится в шахтную печь.
Следует понимать, что любое повреждение инжекторов, которое влияет на введение текучей среды в шахтную печь, может оказать значительное разрушительное воздействие на печь и на процесс, проходящий в ней. Например, изменение в ориентации направления введения текучей среды может повредить огнеупорные стенки печи и уменьшить эффективность процесса, проходящего в печи, и/или качество полученного продукта. Любое повреждение сопла инжектора, в частности, звукового или ультразвукового сопла, может снизить скорость введения текучей среды и, следовательно, снизить глубину проникания текучей среды в шахтную печь. Если текучая среда, вводимая инжектором, содержит топливо, повреждение инжектора может также привести к потенциально катастрофической вспышке пламени.
Таким образом, необходимо заменять любые инжекторы, в отношении которых очевидно, что они повреждены.
Поскольку многие шахтные печи работают непрерывно на протяжении длительных периодов времени, как правило, невозможно контролировать состояние инжекторов изнутри печи.
Общепринятой практикой в качестве предупредительной меры является замена всех инжекторов шахтной печи после предварительно определенного периода работы, так называемого максимального срока службы.
Максимальный срок службы выбирают, основываясь на проверках и/или предыдущем практическом опыте с инжекторами того же типа, чтобы он был достаточно коротким, так что большую часть инжекторов заменяют до того, как инжекторы получат какие-либо повреждения, которые приведут к заметному снижению качества конструкции печи или процесса, проходящего в печи. Следовательно, некоторое количество инжекторов будет заменено, даже несмотря на то, что они еще не повреждены.
Шахтные печи могут иметь значительное количество инжекторов. В зависимости от размера и типа печи и процесса, проходящего в ней, обычным является применение 14 или 16 инжекторов, или даже вплоть до 24 или 26, или даже большего количества инжекторов для той же текучей среды, предназначенной для введения в шахтную печь.
Следовательно, замена указанных инжекторов имеет следствием значительные затраты для оператора печи, как в отношении материала, подлежащего замене, так и требуемых усилий.
Таким образом, было бы желательным иметь возможность использовать инжекторы на протяжении более длительного времени работы без увеличения рисков для безопасности, рисков повреждения конструкции печи или риска ухудшения качества процесса, проходящего в ней.
В US-A-3346249 раскрыт способ подачи воздуха дутья и газообразного топлива в доменную печь соответственно через большое количество (упомянуто 30–40) непрерывно работающих фурм и соответствующих непрерывно работающих труб для введения топлива, при этом топливный контроллер останавливает поток топлива в трубу для введения топлива при обнаружении закупоривания или частичного забивания трубы для введения топлива или соответствующей фурмы. Поперек отверстия в линии подачи газа, соединяющей отдельные трубы для введения топлива с кольцевым коллектором для газообразного топлива, расположены дифференциальные манометры. Когда препятствие в отдельной трубе для введения топлива приводит к неравному распределению топлива с другими отдельными трубами для введения топлива, дифференциальный манометр обнаруживает изменение давления поперек отверстия в линии подачи к отдельной трубе для введения топлива и генерирует сигнал тревоги. Каждая фурма дополнительно оснащена средством измерения температуры и трубкой Пито. Генерируется сигнал тревоги и поток топлива в соответствующую трубу для введения топлива прекращается, если средство измерения температуры обнаруживает увеличение температуры, указывающее на сгорание топлива внутри индивидуальной фурмы, а также если с помощью трубки Пито обнаруживается, что фурма закупорена или частично блокирована.
Способ согласно US-A-3346249 пригоден только для обнаружения закупоривания или забивания труб для введения и фурм, которые работают непрерывно и при по сути постоянных значениях расхода. Он не предназначен для обнаружения закупоривания или забивания инжекторов во время прерывистого или переменного введения текучей среды. Кроме того, поскольку обнаружение выполняют, когда все трубы для введения топлива соединены по текучей среде с газовым кольцевым коллектором и когда все фурмы соединены по текучей среде с кольцевой воздушной трубой, давление, при котором газ подают в отдельные фурмы и трубы для введения, и расход, при котором газ подают в отдельные фурмы и трубы для введения, определены не только давлением газа и расходом в кольцевой воздушной трубе и, соответственно, газовом кольцевом коллекторе, но также состоянием других фурм и, соответственно, труб для введения, соединенных с кольцевой воздушной трубой и, соответственно, с газовым кольцевым коллектором. Из-за этого мешающего взаимодействия между разными фурмами и, соответственно, трубами для введения, определенные случаи закупоривания или частичного забивания могут пройти незамеченными. В настоящем изобретении предложен способ введения технологической текучей среды в вертикальную шахтную печь, в которой происходит процесс горения, и при этом инжекторы, используемые для введения указанной технологической текучей среды в шахтную печь, подвергают контролю состояния без прерывания работы шахтной печи. В настоящем изобретении дополнительно предложен такой способ, пригодный для прерывистого, в частности, пульсирующего или переменного введения технологической текучей среды в шахтную печь. Настоящее изобретение, следовательно, относится к способу введения технологической текучей среды в вертикальную шахтную печь, в которой происходит процесс горения.
Указанная шахтная печь содержит n инжекторов, где n равно по меньшей мере 3, которые распределены по периметру шахтной печи. Шахтная печь также содержит распределитель текучей среды, который находится в сообщении по текучей среде, с одной стороны, с источником технологической текучей среды, подлежащей введению, и, с другой стороны, с n инжекторами.
Шахтная печь дополнительно является частью установки, которая содержит блок управления, запрограммированный (a) для управления общим количеством технологической текучей среды, вводимой в шахтную печь через n инжекторов посредством первого блока клапанов, находящегося между источником технологической текучей среды и распределителем текучей среды, и (b) для управления потоками технологической текучей среды из распределителя текучей среды в каждый из n инжекторов посредством n отдельных блоков клапанов, находящихся между распределителем текучей среды и n инжекторами.
В соответствии с настоящим изобретением блок управления также запрограммирован для инициирования и выполнения проверки текущего состояния для каждого из n инжекторов отдельно без прерывания работы шахтной печи.
Во время проверки текущего состояния одного из n инжекторов подают проверочную текучую среду при предварительно определенном давлении или при предварительно определенном расходе в указанный инжектор, таким образом, указанная проверочная текучая среда также вводится в шахтную печь через указанный инжектор.
Если проверочную текучую среду подают в инжектор при предварительно определенном давлении, измеряют расход текучей среды через инжектор. Если проверочную текучую среду подают в инжектор при предварительно определенном расходе, измеряют перепад давления или противодавление на инжекторе или на по меньшей мере сопловой части инжектора.
Если проверочную текучую среду подают в инжектор при предварительно определенном давлении и, таким образом, измеряют расход текучей среды через инжектор, блок управления устанавливает, попадает ли измеренный расход в предварительно определенный диапазон расхода для предварительно определенного давления, называемый в данном документе «безопасным» диапазоном расхода для указанного давления. Если проверочную текучую среду подают в инжектор при предварительно определенном расходе и измеряют перепад давления, блок управления устанавливает, попадает ли измеренный перепад давления в предварительно определенный диапазон перепада давления для предварительно определенного расхода, называемый в данном документе «безопасным» диапазоном перепада давления для указанного расхода.
Если измеренный расход не попадает в предварительно определенный безопасный диапазон расхода или если измеренный перепад давления не попадает в предварительно определенный безопасный диапазон перепада давления, блок управления испускает выходной сигнал, сигнализирующий, что указанный инжектор, т. е. инжектор, текущее состояние которого проверялось, должен быть заменен.
Конечно, если измеренный расход не попадает в предварительно определенный безопасный диапазон расхода или если измеренный перепад давления не попадает в предварительно определенный безопасный диапазон перепада давления, это является явным указанием на то, что инжектор был поврежден таким образом, что пропускные свойства инжектора были затронуты настолько, что инжектор должен быть заменен.
Следовательно, настоящее изобретение обеспечивает оператора печи точными указаниями о текущем состоянии n инжекторов во время процесса горения.
Способ согласно настоящему изобретению может включать этап определения давления, называемого в данном документе «предварительно определенным давлением», и, соответственно, расхода, называемого в данном документе «предварительно определенным расходом», при котором или с которым проверочную текучую среду подают (следует подавать) в инжектор, подлежащий проверке, во время проверки текущего состояния.
Предварительно определенное давление и, соответственно, предварительно определенный расход обычно соответствуют давлению текучей среды и соответственно расходу текучей среды, для которых был сконструирован или запущен в серийное производство инжектор.
Способ согласно настоящему изобретению может включать этап определения диапазона расхода, называемого в данном документе «предварительно определенным безопасным диапазоном расхода» для инжектора при предварительно определенном давлении проверочной текучей среды, и, соответственно, диапазона перепада давления, называемого в данном документе «предварительно определенным безопасным диапазоном перепада давления», на инжекторе при предварительно определенном давлении расхода проверочной текучей среды через инжектор. «Предварительно определенный безопасный диапазон расхода» и соответственно «предварительно определенный безопасный диапазон перепада давления» могут быть предоставлены производителем или поставщиком инжекторов или могут быть основаны на более раннем опыте работы с инжекторами того же типа.
Предварительно определенный безопасный диапазон расхода для предварительно определенного давления и предварительно определенный безопасный диапазон перепада давления для предварительно определенного расхода обычно соответствуют диапазону в пределах значений расхода, наблюдаемого, когда проверочную текучую среду подают в новый, неиспользованный инжектор того же типа при предварительно определенном давлении и, соответственно, диапазону в окрестностях значений перепада давления, наблюдаемого, когда проверочную текучую среду подают в такой новый, неиспользованный инжектор при предварительно определенном расходе.
Блок управления преимущественно запрограммирован на повтор процедуры контроля текущего состояния для каждого из n инжекторов через предварительно определенные интервалы, тем самым информируя оператора печи о динамике текущего состояния n инжекторов во время процесса горения.
В качестве альтернативы или в совместной комбинации способ может обеспечивать инициирование процедуры контроля текущего состояния для каждого из n инжекторов блоком управления посредством подачи команды на выполнение на блок управления, например, посредством сенсорного экрана или устройства дистанционного управления блока управления. Оператор печи может, в частности, захотеть инициировать процедуру контроля текущего состояния инжекторов после или до нештатной ситуации, связанной с шахтной печью, например, после замены инжектора или до того, как произойдет изменение в процессе в шахтной печи.
Поскольку процедуру(-ы) контроля текущего состояния выполняет блок управления, оператор печи больше не должен полагаться целиком на экспериментально определенный срок службы инжекторов и может принять решение продолжить использование инжектора по прошествии указанного максимального срока службы, при условии, что процедура контроля текущего состояния показала, что инжектор продолжает работать в безопасном диапазоне.
Выходной сигнал, сгенерированный блоком управления, может представлять собой или может содержать визуальный выходной сигнал на экране блока управления, необязательно сопровождаемый звуковым сигналом. Выходной сигнал может также представлять собой или содержать сигнал, передаваемый на удаленное, обычно переносное или мобильное устройство.
Технологическая текучая среда может, в частности, представлять собой окислительный газ, потребляемый в процессе горения в шахтной печи. Окислительный газ предпочтительно характеризуется содержанием кислорода, которое превышает 21 об. % вплоть до 100 об. %, предпочтительно по меньшей мере 90 об. % и более предпочтительно по меньшей мере 95 об. %.
Источником окислительного газа может быть установка для обогащения воздуха кислородом, как правило, когда содержание кислорода в окислительном газе относительно низкое, например, более 21 об. % и не более 90 об. %. Источником окислительного газа также может быть установка сжижения воздуха, резервуар сжиженного кислорода или трубопровод, по которому транспортируется сжиженный кислород, например, когда содержание кислорода в окислительном газе составляет от 90 об. % до 100 об. %, предпочтительно не менее 95 об. %.
Технологическая текучая среда может также представлять собой или содержать топливо, вводимое в шахтную печь.
Технологическая текучая среда может также служить другим целям в шахтной печи. Например, в случае шахтной печи для восстановления железной руды, технологическая текучая среда может представлять собой восстановительное средство, вводимое в шахтную печь для активизирования восстановления железной руды.
Шахтная печь обычно имеет по сути круглый периметр, но может также иметь другую форму, такую как, например, прямоугольный периметр.
n инжекторов предпочтительно по сути равномерно или однородно распределены по периметру шахтной печи, хотя возможны другие конфигурации, в зависимости от структуры печи и требований процесса.
Количество n указанных инжекторов обычно больше 3. Полезное количество инжекторов может быть вплоть до 14 или 16. Однако, количество n инжекторов может также быть существенно большим, например, вплоть до 24 или даже вплоть до 36 или более.
Распределитель текучей среды преимущественно представляет собой распределительное кольцо для текучей среды, которое окружает шахтную печь.
Согласно первому варианту осуществления способа по настоящему изобретению в качестве проверочной текучей среды использована технологическая текучая среда. В таком случае, с целью обеспечения того, что проверочная текучая среда эффективно подается в инжектор, текущее состояние которого должно быть проверено, при предварительно определенном давлении или при предварительно определенном расходе, блок управления закрывает n-1 отдельных клапанов между распределителем текучей среды и n-1 другими инжекторами. Как следствие, во время подачи проверочной текучей среды в инжектор, текущее состояние которого должно быть проверено, вся технологическая текучая среда, которую подают в распределитель текучей среды, протекает только в инжектор, текущее состояние которого должно быть проверено, и это происходит при предварительно определенном давлении или при предварительно определенном расходе. Технологическая текучая среда не протекает из распределителя текучей среды в n-1 других инжекторов во время этого периода, так что указанные n-1 других инжекторов не оказывают мешающего воздействия на проходящую проверку текущего состояния. Для обеспечения того, что проверочная текучая среда эффективно подается в инжектор, текущее состояние которого должно быть проверено, при предварительно определенном давлении или при предварительно определенном расходе, блок управления может также выполнять регулировку блока клапанов, находящегося между источником технологической текучей среды и распределителем текучей среды, для регулирования расхода и/или давления технологической текучей среды (используемой в качестве проверочной текучей среды), протекающей в распределитель текучей среды. Блок управления может также быть запрограммирован для управления потоками технологической текучей среды из распределителя текучей среды в каждый из n инжекторов так, чтобы указанные инжекторы непрерывно вводили технологическую текучую среду в печь в промежутках между проверками текущего состояния. В качестве альтернативы, блок управления может также быть запрограммирован для управления потоками технологической текучей среды из распределителя текучей среды в каждый из n инжекторов так, чтобы указанные инжекторы вводили технологическую текучую среду в печь пульсирующим или переменным образом в промежутках между проверками текущего состояния.
Преимуществом этого варианта осуществления является то, что не требуется дополнительное оборудование для проверки текущего состояния. Недостатком этого варианта осуществления является то, что поток технологической текучей среды в n-1 других инжекторов временно прерывается. Это не является проблемой, если это прерывание, которое должно быть повторено для проверки текущего состояния каждого инжектора, достаточно короткое и если процесс, происходящий в шахтной печи, не слишком восприимчив к таким прерываниям.
В других случаях нижеприведенный вариант осуществления, где в качестве проверочной текучей среды используют текучую среду, отличную от технологической текучей среды, может быть более полезным, даже несмотря на то, что это требует дополнительного оборудования. Согласно указанному дополнительному варианту осуществления во время подачи проверочной текучей среды в инжектор, подлежащий проверке, блок управления:
(a) закрывает отдельный клапан, соединяющий инжектор, текущее состояние которого должно быть проверено, с распределителем текучей среды, так что технологическая текучая среда не протекает из распределителя текучей среды в указанный инжектор и
(b) открывает клапан для проверочной жидкости, расположенный между источником проверочной текучей среды и указанным инжектором, так что проверочная текучая среда подается в указанный инжектор при предварительно определенном давлении или при предварительно определенном расходе.
Поток технологической текучей среды в n-1 других инжекторов может, следовательно, продолжаться под управлением блока управления во время проверки текущего состояния, и при этом вмешательство в процесс в шахтной печи является минимальным.
В таком случае блок управления может быть запрограммирован для управления потоками технологической текучей среды из распределителя текучей среды в каждый из n инжекторов, так что указанные инжекторы непрерывно вводят технологическую текучую среду в печь, если их не подвергают проверке текущего состояния в соответствии с настоящим изобретением. В качестве альтернативы блок управления может также быть запрограммирован для управления потоками технологической текучей среды из распределителя текучей среды в каждый из n инжекторов так, чтобы указанные инжекторы вводили технологическую текучую среду в печь пульсирующим или переменным образом, если их не подвергают проверке текущего состояния.
Даже хотя в этом случае проверочная текучая среда может иметь состав, такой же или подобный таковому для технологической текучей среды, предпочтительным может быть выбор проверочной текучей среды, которая не реагирует с другими химическими компонентами, присутствующими в шахтной печи, с тем, чтобы еще больше ограничить влияние проверок текущего состояния на процесс в шахтной печи.
2
2
Проверочная текучая среда может, например, представлять собой воздух, N, CO или рециркулированный отработанный газ.
Согласно целесообразному варианту осуществления распределитель проверочной текучей среды представляет собой распределительное кольцо для проверочной текучей среды, которое окружает шахтную печь, тем самым облегчая подачу проверочной текучей среды в n отдельных инжекторов во время их соответствующих проверок текущего состояния.
Если считают, что некоторое несущественное повреждение инжекторов допустимо и не требует замены таких инжекторов, предварительно определенный безопасный диапазон расхода или предварительно определенный безопасный диапазон перепада давления может быть выбран так, чтобы включать потоковые характеристики инжекторов с такими несущественными повреждениями. В таком случае оператору печи полезно будет иметь возможность различать по сути неповрежденные и лишь несущественно поврежденные инжекторы. Вдобавок можно различать стандартные диапазоны, которые соответствуют по сути неповрежденным инжекторам, и предупреждающие диапазоны, которые соответствуют лишь несущественно поврежденным инжекторам.
В таком случае, если проверочную текучую среду подают в инжектор при предварительно определенном давлении, предварительно определенный безопасный диапазон расхода состоит из предварительно определенного стандартного диапазона расхода и предварительно определенного предупреждающего диапазона расхода на обоих краях стандартного диапазона расхода. Блок управления устанавливает, выходит ли измеренный расход за пределы стандартного диапазона расхода, оставаясь при этом в пределах предупреждающего диапазона расхода. Если измеренный расход в самом деле попадает в предупреждающий диапазон расхода, блок управления испускает выходной сигнал, сигнализирующий о том, что инжектор, текущее состояние которого проверялось, больше не работает в своих стандартных рабочих условиях.
Схожим образом, если проверочную текучую среду подают в инжектор при предварительно определенном расходе, предварительно определенный безопасный диапазон перепада давления состоит из предварительно определенного стандартного диапазона перепада давления и предварительно определенного предупреждающего диапазона перепада давления на обоих краях стандартного диапазона перепада давления. Блок управления устанавливает, выходит ли измеренный перепад давления за пределы стандартного диапазона перепада давления, оставаясь при этом в пределах предупреждающего диапазона перепада давления. Если измеренный перепад давления попадает в предупреждающий диапазон перепада давления, блок управления испускает выходной сигнал, сигнализирующий о том, что инжектор, текущее состояние которого проверялось, больше не работает в своих стандартных рабочих условиях.
Предварительно определенный стандартный диапазон расхода для предварительно определенного давления и предварительно определенный стандартный диапазон перепада давления для предварительно определенного расхода обычно соответствуют диапазону в окрестностях значений расхода, наблюдаемого, когда проверочную текучую среду подают в новый, неиспользованный инжектор того же типа при предварительно определенном давлении и, соответственно, диапазону в окрестностях значений перепада давления, наблюдаемого, когда проверочную текучую среду подают в такой новый, неиспользованный инжектор при предварительно определенном расходе. Предварительно определенный стандартный диапазон расхода является, однако, более узким, чем предварительно определенный безопасный диапазон расхода, и предварительно определенный стандартный диапазон перепада давления является более узким, чем предварительно определенный безопасный диапазон перепада давления.
Способ согласно настоящему изобретению может включать этап определения диапазона расхода, называемого в данном документе «предварительно определенным стандартным диапазоном расхода» и, соответственно, диапазона перепада давления, называемого в данном документе «предварительно определенным стандартным диапазоном перепада давления». «Предварительно определенный стандартный диапазон расход» и, соответственно, «предварительно определенный стандартный диапазон перепада давления» могут быть предоставлены производителем или поставщиком инжекторов или могут быть основаны на более раннем опыте работы с инжекторами того же типа.
Для дополнительной безопасности способ согласно настоящему изобретению может также комбинироваться с упомянутым ранее подходом к максимальному сроку службы. Однако, благодаря информации о фактическом текущем состоянии инжектора, ставшей доступной посредством способа согласно настоящему изобретению, может быть сделан безопасный выбор в пользу большего срока службы или максимального периода работы.
В таком случае блок управления предпочтительно также отслеживает время работы каждого из n инжекторов. Если фактическое время работы одного из n инжекторов достигает предварительно определенного максимального времени работы, блок управления генерирует выходной сигнал, идентифицирующий указанный инжектор как достигший своего максимального времени работы, после чего оператор печи обычно производит замену указанного инжектора.
Согласно одному варианту осуществления блок управления запрограммирован для инициирования и выполнения проверки текущего состояния последовательно для каждого из n инжекторов без перерыва между двумя последовательными проверками текущего состояния разных инжекторов. В качестве альтернативы, блок управления может быть запрограммирован для инициирования и выполнения проверки текущего состояния для каждого из n инжекторов с интервалом, в котором не проводят проверок текущего состояния между двумя последовательными проверками текущего состояния разных инжекторов. Этот последний вариант осуществления может быть полезен, если продление процедур контроля текущего состояния на больший период времени может оказать негативное воздействие на процесс, проходящий в шахтной печи.
Шахтная печь может представлять собой печь для сжигания отходов. Однако изобретение особенно полезно для случая, когда печь представляет собой печь, в которой преобразуется загружаемый материал, отличный от топлива, сжигаемый с окислителем. Следовательно, изобретение особенно полезно для случая, когда шахтная печь представляет собой стеклоплавильную печь, печь для плавки минеральной шерсти или печь для плавки металла.
Шахтная печь может быть ваграночной печью. Шахтная печь также может быть доменной печью.
Настоящее изобретение и его преимущества проиллюстрированы в нижеприведенных примерах со ссылкой на фиг. 1–3, согласно которым:
• на фиг. 1 представлено схематическое изображение первого варианта осуществления установки для плавки чугуна, пригодной для использования в способе согласно настоящему изобретению, включая изображение в сечении ваграночной шахтной печи установки,
• на фиг. 2 представлено схематическое изображение второго варианта осуществления такой установки, и
• на фиг. 3 представлено частичное схематическое изображение скриншота пользовательского интерфейса, пригодного для применения в контексте настоящего изобретения.
Шахтная печь 10 на фигурах 1 и 2 имеет практически круглое поперечное сечение. Металлошихту 20 (чугуна), подлежащею плавке, и кокс вводят с верхнего конца 11 шахтной печи 10. Флюсовые материалы обычно вводят таким же образом. Шихту 20 обычно вводят 10 таким образом, чтобы образовывались последовательные горизонтальные слои внутри шахтной печи 10, например, слой металла, за которым идет слой кокса, за которым идет слой флюсового материала, за которым идет слой металла и т. д. Кокс сжигают с окислителем для горения в зоне 12 горения, расположенной ниже в шахтной печи 10. Вдобавок в шахтную печь 10 вводят окислитель для горения посредством инжекторов для окислителя или фурм 30, которые расположены вокруг зоны 12 горения.
Тепло горения заставляет металл в шихте, находящейся сразу над зоной 12 горения, плавиться, и расплавленный металл просачивается через зону 12 горения в нижнюю область 13 печи. Газообразные продукты горения, сгенерированные в зоне 12 горения, проходят далее вверх через уложенную слоями шихту, тем самым предварительно нагревая шихту, до их удаления из шахтной печи посредством отвода 16 для отработанного газа. Расплавленный металл удаляют из нижней части 13 шахтной печи 10 через выпускной желоб 14. Шлак, который образуется в ходе процесса плавления, удаляют из шахтной печи 10 через шлаковый желоб 15, расположенный на уровне, выше уровня выпускного желоба 14.
Блок 40 управления управляет работой шахтной печи 10.
В изображенном варианте осуществления шесть (6) фурм 30 для окислителя равномерно распределены вокруг зоны 12 горения шахтной печи 10. Каждая фурма 30 для окислителя отдельно соединена с распределителем окислителя в форме кольца 31 для окислителя, которое окружает шахтную печь 10. Окислитель для горения подают в кольцо 31 для окислителя из источника окислителя, такого как блок разделения воздуха или кислородный резервуар (не показан). Клапан 32 используют для управления потоком окислителя из источника окислителя в распределитель 31 окислителя. Клапаны 33 используют для управления потоком окислителя из распределителя 31 окислителя в отдельные фурмы 30 для окислителя, один клапан 33 на фурму 30 для окислителя. Работа отдельных клапанов 32, 33 контролируется блоком 40 управления или с его помощью.
В вариантах осуществления, изображенных на фиг. 1 и фиг. 2, фурмы 30 для окислителя представляют собой фурмы для введения кислорода, степень чистоты которого составляет от 90 об. % до 100 об. %, предпочтительно по меньшей мере 95 об. %. С целью обеспечения введения кислорода в шахтную печь 10 на звуковой или сверхзвуковой скорости, каждая фурма 30 оснащена расширяющимся соплом 34.
Согласно предпочтительному варианту осуществления, если общий расход окислителя при введении в печь 10 ниже, чем расход, при котором указанный окислитель вводился бы в печь 10, когда все фурмы 30 для окислителя вводили бы указанный окислитель на звуковой или сверхзвуковой скорости в печь 10, центральный блок 40 управления предпочтительно заставляет клапаны 33 открываться и закрываться таким образом, чтобы достичь пульсирующего введения указанного окислителя, как описано, например, в DE-A-10249235, при этом фурмы 30 меняют состояние между активной фазой, во время которой фурма 30 вводит окислитель на звуковой или сверхзвуковой скорости, и пассивной фазой, во время которой указанная фурма 30 не вводит окислитель в печь 30 или вводит окислитель на дозвуковой скорости и при расходе, который составляет долю от расхода, при котором окислитель вводится во время активной фазы указанной фурмы 30.
Следует понимать, что изображенный вариант осуществления является лишь одним из многих возможных вариантов осуществления. Например, шихта 20 может быть введена в шахтную печь 10 через дверь шахты в футеровке 17 печи 10 на верхнем конце 11, а не через свод печи 10. Газообразные продукты горения могут быть удалены из печи 10 посредством отвода для газов в своде печи 10, а не отвода 16 для отработанного газа в футеровке 17.
Количество фурм 30 для окислителя может быть большим или меньшим, чем в изображенном варианте осуществления. Дополнительное топливо, такое как уголь, мазут или газообразное топливо, также можно вводить в зону 12 горения. Дополнительное топливо может быть введено в печь 10 через горелки, через фурмы для топлива, которые могут быть раздельными с фурмами для окислителя или которые могут образовывать совокупность фурм с фурмами 30 для окислителя (некоторыми из них) или, в частности, в случае с твердым сыпучим дополнительным топливом, непосредственно через фурмы 30 для окислителя. Печь 10 также может содержать несколько наборов фурм для окислителя для горения. Например, набор воздушных фурм для введения воздуха, который может быть или не быть обогащен кислородом, могут быть соединены с дутьевым кольцом, окружающим шахтную печь, и набор кислородных фурм может быть соединен с отдельным кислородным кольцом, окружающим шахтную печь.
Если в варианте осуществления, изображенном на фиг. 1, блок 40 управления инициирует проверку текущего состояния одного из инжекторов для окислителя или фурм 30, клапан 33, соответствующий фурме 30 для окислителя, подлежащей проверке, открывается или остается открытым, и клапаны 33, соответствующие другим фурмам 30, закрываются, чтобы отсоединить по текучей среде указанные другие фурмы 30 для окислителя от кольца 31 для окислителя. Таким образом, давление или расход, при которых окислитель из кольца 31 для окислителя подают в фурму 30 для окислителя, подлежащую проверке, можно регулировать для обеспечения соответствия предварительно определенного проверочного уровня без мешающего воздействия со стороны других фурм 30.
В соответствии с настоящим изобретением, если во время проверки текущего состояния окислитель из кольца 31 для окислителя подают в инжектор 30, подлежащий проверке, при указанном предварительно определенном давлении, датчик 35 определяет расход, при котором указанный окислитель протекает через указанный инжектор 30 в условиях проверки текущего состояния. Схожим образом, если во время проверки текущего состояния окислитель из кольца 31 для окислителя подают в инжектор 30, подлежащий проверке, при предварительно определенном расходе, датчик 35 определяет перепад давления или противодавление на указанном инжекторе 30 или на по меньшей мере расширяющейся сопловой части 34 указанного инжектора 30.
Значения расхода и, соответственно, давления, определенные датчиком 35, передаются на блок 40 управления, где определенное значение сравнивают с предварительно определенным безопасным диапазоном параметра в отношении расхода и, соответственно, давления в условиях проверки текущего состояния для проверяемой фурмы 30. Если определенное значение выходит за пределы предварительно определенного безопасного диапазона параметра, оператору печи подается сигнал тревоги, например, посредством пользовательского интерфейса, такого как экран мониторинга и/или мобильное устройство, такое как смартфон, так что оператор печи может предпринять необходимые меры для замены неисправной фурмы 30.
Вдобавок к сравнению определенного значения с предварительно определенным безопасным диапазоном параметра, определенное значение можно также сравнить с предварительно определенным предупреждающим диапазоном параметра, который находится в пределах безопасного диапазона параметра, но за пределами стандартного диапазона для указанного параметра. Если определенное значение находится в пределах предварительно определенного безопасного диапазона параметра, но также в пределах предварительно определенного предупреждающего диапазона для указанного параметра, оператор печи получает предупреждающий сигнал, что, следовательно, позволяет оператору ожидать или планировать замену соответствующей фурмы 30 и, если нужно, заказать новые фурмы на замену. Тогда как в случае сигнала тревоги обычно требуется предпринять немедленные меры, это не так для предупреждающего сигнала, как описано в этом параграфе.
После завершения проверки текущего состояния фурмы 30 блок 40 управления может возвращать введение окислителя посредством шести фурм 30 обратно на уровень, соответствующий нормальной работе, для плавки железа в шахтной печи 10 и инициировать проверку текущего состояния одной из других фурм 30 в другой, обычно предварительно запрограммированный, момент времени. В качестве альтернативы блок 40 управления может инициировать проверку текущего состояния каждой фурмы 30 для окислителя в последовательном порядке, т. е. друг за другом, и возвращать введение окислителя посредством шести фурм 30 обратно на уровень, соответствующий нормальной работе, для плавки железа в шахтной печи 10 только после выполнения проверки текущего состояния всех шести фурм 30.
В альтернативном варианте осуществления, изображенном на фиг. 2, распределитель проверочной текучей среды или кольцо 50 также окружают футеровку 17 печи 10 поблизости от фурм 30 для окислителя. Отдельные соединения 51 обеспечены между кольцом 50 для проверочной текучей среды и каждой из фурм 30 для окислителя, каждое соединение 51 оснащено двухпозиционным клапаном 52 для соединения или отсоединения по текучей среде соответствующей фурмы 30 для окислителя с кольцом 50 для проверочной текучей среды. Во время нормальной работы шахтной печи 10 все двухпозиционные клапаны 52 закрыты, так что ни одна из фурм 30 для окислителя не находится в соединении по текучей среде с поясом 50 для проверочной текучей среды. Если блок 40 управления инициирует проверку текущего состояния одного из инжекторов для окислителя или фурм 30, клапан 33, соответствующий фурме 30 для окислителя, подлежащей проверке, закрыт целиком, и клапан 51, соответствующий указанной фурме 30 для окислителя, открыт, тогда как оставшиеся клапаны 51, соответствующие другим фурмам 30 для окислителя, остаются закрытыми. Во время проверки текущего состояния проверочную текучую среду из кольца 50 для проверочной текучей среды подают в фурму 30 для окислителя, подлежащую проверке, (только) при предварительно определенном давлении и, соответственно, при предварительно определенном давлении, и датчик 35, соответствующий проверяемой фурме 30, определяет расход проверочной текучей среды через указанную фурму 30 и, соответственно, перепад давления или противодавление на указанной фурме 30 или по меньшей мере на сопле 34 указанной фурмы 30. Таким образом, проверка текущего состояния фурмы 30 может проводиться при продолжении введения достаточного количества окислителя из кольца 31 для окислителя для плавки железа в шахтную печь 10 посредством других фурм 30 для окислителя. В конце проверки текущего состояния фурмы 30 двухпозиционный клапан 52, соответствующий указанной фурме 30, закрывают, и блок 40 управления может заново подсоединить указанную фурму 30 к кольцу 31 для окислителя в подходящий момент времени (например, сразу или, в случае с пульсирующим введением окислителя, как описано выше, в начале ее следующей активной фазы) путем открывания клапана 32, соответствующего указанной фурме.
На фиг. 3 изображен один из методов, посредством которого в изобретении возможно информировать оператора печи о текущем состоянии разных инжекторов, таких как инжекторы для окислителя или фурмы 30 согласно вариантам осуществления, изображенным на фиг. 1 и 2.
На фиг. 3 показан сенсорный экран со схематическим изображением сечения шахтной печи 10 на уровне фурм 30 для окислителя. Также показаны кольцо 31 для окислителя и клапаны 32. Информация о текущем состоянии или условиях работы разных элементов, показанных на изображении, может быть получена посредством «щелчка» на рассматриваемый элемент.
Три примера такой обратной связи с оператором показаны на фиг. 3.
Предварительно определенное максимальное время работы было сохранено в блоке 40 управления. Для каждого инжектора 30 для окислителя дата установки инжектора 30 сохранена в блоке 40 управления, и блок 40 управления вычисляет ожидаемую дату замены указанной фурмы 30 на основе максимального времени работы, начиная с даты установки.
Если проверку текущего состояния выполняли в отношении фурмы для окислителя, значение, определенное датчиком 35, подается на блок 40 управления, где оно сравнивается с предварительно определенным безопасным диапазоном и предварительно определенным предупреждающим диапазоном в пределах указанного безопасного диапазона для данного параметра и фурмы.
Если определенный параметр находится в пределах безопасного диапазона и при этом выходит за пределы предупреждающего диапазона, как в случае с фурмой № 3, экран показывает, что фурма в безопасности, и указывает ожидаемую дату замены фурмы на основании максимального времени работы.
Если определенный параметр попадает в предупреждающий диапазон, как в случае с фурмой № 5, на экране указывается, что фурма в безопасности, но ее функциональность изменена, при этом опять указывая ожидаемую дату замены фурмы на основе максимального времени работы.
Наконец, если определенный параметр выходит за пределы безопасного диапазона, как в случае с фурмой № 4, экран указывает, что фурма повреждена и должна быть заменена как можно скорее.
Цветовой код, такой как «зеленый-оранжевый-красный», также может быть преимущественно использован для указания на текущее состояние отдельных фурм 30, как безопасное, безопасное-нарушенное и поврежденное соответственно.