БЕСШАХТНЫЙ ВОЗДУХОНАГРЕВАТЕЛЬ
SHAFTLESS AIR HEATER

Изобретение относится к области металлургии, в частности к конструкциям воздухонагревателей доменных печей.
Одной из проблем эксплуатации доменных воздухонагревателей является обеспечение устойчивости горения, снижение и устранение пульсаций горения. Пульсации горения являются замкнутым автоколебательным процессом, в котором участвуют все элементы тракта подачи и горения воздуха и газа (подающие трубы, дроссели, колена, коллекторы, насадки, пространство горения). Требуется соответствующий расчет акустических параметров всех элементов тракта. Большое значение для снижения пульсаций горения имеют параметры заключительного элемента тракта - параметры пространств камеры горения и купола.
Известны воздухонагреватели с протяженными внутренней или наружной камерами (шахтами) горения [соответственно, патент РФ 2177040 или патент РФ 77865, фиг.2], расположенными во внутренних или наружных шахтах воздухонагревателей, сообщающихся с куполом над насадкой.
Недостатком вышеуказанных воздухонагревателей является то, что при повышении тепловой мощности возникают и могут возрасти пульсации горения вследствие наличия протяженных камер горения. Кроме того, причиной возникновения пульсаций горения являются повышенные тепловые напряжения на единицу площади горизонтального сечения пространства горения, например пространства камеры горения. Здесь и далее под горизонтальным сечением понимается сечение в плоскости, перпендикулярной вертикальной оси воздухонагревателя.
Известен бесшахтный воздухонагреватель ВНИИМТ [патент РФ 926017], включающий цилиндрическую камеру с насадкой, купол над насадкой и сообщающуюся с ним кольцевую форкамеру (горения), в нижней части (у основания) которой размещены каналы подачи воздуха и газа, причем каналы подачи воздуха направлены параллельно оси воздухонагревателя, а каналы подачи газа направлены перпендикулярно оси воздухонагревателя и выходят в каналы подачи воздуха.
Недостатком известного бесшахтного воздухонагревателя ВНИИМТ является неравномерность перемешивания газа с воздухом, так как каналы подачи воздуха направлены перпендикулярно каналам подачи газа, к тому же перемешивание осуществляется в ограниченном объеме канала подачи воздуха, в котором при горении увеличиваются тепловые напряжения на единицу площади горизонтального сечения канала подачи воздуха. Все это является причиной возникновения пульсаций горения и неполноты сгорания газа в форкамере и куполе.
Наиболее близким к предложенному является бесшахтный воздухонагреватель [патент РФ 65890], включающий, в частности, цилиндрическую камеру с насадкой, расположенный над насадкой купол, имеющий цилиндрическую часть, купол содержит также расположенную над цилиндрической частью сужающуюся часть (например, коническую [патент РФ 65890] или шаровую [патент Германии DE 318068]) и расположенную над сужающейся частью цилиндрическую горловину, сообщающуюся с расположенной над куполом форкамерой, в боковых стенках форкамеры размещены каналы подачи воздуха и газа.
Недостатком бесшахтного воздухонагревателя-прототипа является то, что вследствие неопределенности соотношения геометрических размеров заключительного элемента тракта (камеры горения и купола) имеются условия возникновения пульсаций горения и не обеспечивается полнота сгорания газа.
Задачей изобретения является устранение условий возникновения пульсаций горения и повышение полноты сгорания газа.
Для решения указанной задачи бесшахтный воздухонагреватель, включающий цилиндрическую камеру с насадкой, расположенный над насадкой купол, имеющий цилиндрическую часть, а также расположенную над цилиндрической частью сужающуюся часть и расположенную над сужающейся частью цилиндрическую горловину, сообщающуюся с расположенной над куполом форкамерой, в боковых стенках форкамеры размещены каналы подачи воздуха и газа, отличается тем, что бесшахтный воздухонагреватель выполнен с отношением диаметра цилиндрической горловины к диаметру цилиндрической части купола, находящемся в пределах от 0,31 до 0,41.
Выполнение отношения диаметра цилиндрической горловины к диаметру цилиндрической части купола в пределах от 0,31 до 0,41 обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в устранении условий возникновения пульсаций горения и повышении полноты сгорания газа.
Диапазон отношений диаметра цилиндрической горловины к диаметру цилиндрической части купола в пределах от 0,31 до 0,41 определен экспериментально.
Нижний предел отношения диаметров (0,31) обусловлен тем, что при дальнейшем уменьшении отношения диаметров растет сопротивление потоку продуктов горения (смеси газа и воздуха) в пространствах форкамеры и цилиндрической горловины, увеличивается давление смеси газа с воздухом в цилиндрической горловине и в форкамере, возрастает тепловое напряжение во внутренних пространствах форкамеры и цилиндрической горловины, что вызывает возникновение пульсаций горения.
При увеличении отношения диаметров больше верхнего предела (0,41) уменьшается полнота сгорания газа в куполе вследствие ухудшения перемешивания газа с воздухом.
На чертеже изображен общий вид бесшахтного воздухонагревателя в разрезе.
1
2
Бесшахтный воздухонагреватель включает цилиндрическую камеру 1 с насадкой 2, расположенный над насадкой 2 купол 3, имеющий цилиндрическую часть 4, а также расположенную над цилиндрической частью 4 сужающуюся часть 5 и расположенную над сужающейся частью 5 цилиндрическую горловину 6, сообщающуюся с расположенной над куполом форкамерой 7. В боковых стенках 8 форкамеры 7 размещены каналы 9, 10 и 11, 12 подачи, соответственно, воздуха и газа в форкамеру 7. Бесшахтный воздухонагреватель выполнен с отношением диаметра D цилиндрической горловины 6 к диаметру D цилиндрической части 4 купола 3, находящемся в пределах от 0,31 до 0,41.
Кроме того, бесшахтный воздухонагреватель содержит газовый штуцер 13 для подачи газа через кольцевой коллектор 14 в каналы 9, 10 подачи газа в форкамеру 7. Бесшахтный воздухонагреватель содержит также воздушный штуцер 15 для подачи воздуха через кольцевой коллектор 16 в каналы 11, 12 подачи воздуха в форкамеру 7. В куполе 3 выполнен штуцер 17 для отбора горячего воздуха из купола 3.
Все стенки воздухонагревателя имеют футеровку, обеспечивающую теплоизоляцию внутреннего пространства воздухонагревателя от окружающего воздухонагреватель внешнего пространства (наклонная штриховка на чертеже).
Сужающаяся часть 5 купола 3 может быть выполнена как конической, так и может иметь форму части шара (не показано).
Количество и расположение каналов (9, 10, 11, 12) подачи газа и воздуха в форкамеру 7 определяется, в основном, мощностью воздухонагревателя.
0
3
3
В примере выполнения бесшахтного воздухонагревателя он имеет диаметр форкамеры 7 (D), равный 5012 мм, диаметр (D1) цилиндрической горловины 6, равный 3862 мм, и диаметр (D2) цилиндрической части 4 купола 3, равный 10164 см. При этом отношение диаметра цилиндрической горловины 6 к диаметру цилиндрической части 4 купола 3 равно 0,38. Цилиндрическая камера 1 воздухонагревателя, купол 3 (вместе с его частями 4 и 5), а также форкамера 7 расположены на одной оси 18 с возможностью отклонения от оси 18 на расстояние не более 25-35 мм. В этом примере выполнения бесшахтного воздухонагревателя не наблюдается возникновения пульсаций горения и происходит наиболее полное сжигание газа, содержание оксида углерода (СО) в продуктах сгорания составляет 30 мг/м при допустимом значении 100 мг/м согласно европейским стандартам.
Работа воздухонагревателя осуществляется следующим образом.
В период нагрева насадки 2 воздух для горения по штуцеру 15 подается в кольцевой коллектор 16, затем через каналы подачи 11, 12 поступает в форкамеру 8. Газ подается через штуцер 13 в кольцевой коллектор 14 и далее поступает через каналы подачи 9, 10 в форкамеру 7. В результате смешивания газа с воздухом происходит загорание газа в верхней части форкамеры 7 от взаимодействия указанной смеси с разогретыми внутренними стенками 8 форкамеры 7. Необходимая для возгорания смеси газа и воздуха температура внутренних стенок форкамеры 7 обеспечивается разогревом внутренних стенок форкамеры 7 в дутьевой период, когда нагретый в насадке 2 воздух выводится из воздухонагревателя через штуцер 17. В период нагрева насадки 2 через нее проходят горячие продукты сгорания и выводятся из воздухонагревателя через поднасадочное устройство в дымовую трубу (не показаны).
Горение смеси газа и воздуха происходит как в форкамере 7, так и в цилиндрической горловине 6, а также в куполе 3. В цилиндрической горловине 6 и в куполе 3 происходит догорание газов, несгоревших в форкамере 7. При этом степень догорания газов в цилиндрической горловине 6 и в куполе 3 зависит от отношения диаметра цилиндрической горловины 6 к диаметру купола 3. Когда указанное отношение диаметров находится в оптимальном (предложенном) диапазоне (0,31÷0,41), давление смеси газов оптимально и происходит наиболее полное сжигание газа. При этом имеет место такое тепловое напряжение в пространствах форкамеры 7 и цилиндрической горловины 6, которое обеспечивает устранение предпосылок для возникновения пульсаций горения.
Таким образом, применение предложенного бесшахтного воздухонагревателя обеспечивает устранение условий возникновения пульсаций горения и повышение полноты сгорания газа.