КЕРАМИЧЕСКАЯ ГОРЕЛКА
CERAMIC BURNER

Введение
Данное изобретение относится к керамической горелке для использования в камере сгорания регенеративного теплового генератора, такого как доменный воздухонагреватель или доменная печь.
Предварительный нагрев воздуха для доменных печей обычно осуществляется в смежных регенеративных нагревателях, известных как доменные воздухонагреватели. Такие воздухонагреватели обычно содержат камеру сгорания и теплоизоляционную шахту. В случае нагревателя с камерой внутреннего сгорания камера внутреннего сгорания и теплоизоляционная шахта отделены друг от друга стенкой, сооруженной из огнеупорных кирпичей. В случае использования керамической горелки такая керамическая горелка расположена в нижней секции камеры сгорания. Воздух для горения и горючее топливо, обычно горючие газы, подаются к керамической горелке, и смесь воздуха для горения и топлива сжигается в камере сгорания. Образуемые в результате сгорания топочные газы поднимаются в камере сгорания вверх, отводятся через купол, а затем проходят через наполненную насадочными кирпичами теплоизоляционную шахту. Теплота от топочных газов абсорбируется насадочными кирпичами. Топочные газы, которые теперь охлаждены, выходят из воздухонагревателя через камеру отработанных газов и по меньшей мере одно выпускное отверстие.
Как только насадочные кирпичи нагреты до достаточной температуры, подача воздуха для горения и топлива прекращается, и воздух вдувается через доменный воздухонагреватель в обратном направлении. Во время прохождения через теплоизоляционную шахту, содержащую горячие насадочные кирпичи, воздух нагревается, отводится через купол в камеру сгорания, где он выходит из воздухонагревателя через выпускное отверстие горячего дутья в корпусе воздухонагревателя и подается в доменную печь.
Керамическая горелка обычно содержит топочную камеру для подачи горючего топлива, поступающего в керамическую горелку в зону смешивания, и воздушную камеру для подачи воздуха для горения, поступающего в керамическую горелку в зону смешивания. Топочная и воздушная камеры обычно отделены друг от друга с помощью перегородки, сооруженной из огнеупорных кирпичей. На выходном конце керамической горелки горючее топливо и воздух смешиваются в зоне смешивания, образуя горючую смесь.
Чтобы получить хорошую эффективность установки, важно чтобы компоненты горения сгорали как можно полнее до того, как горячий горючий газ пройдет через теплоизоляционную шахту. На разработку выходного конца керамической горелки было потрачено много усилий для того, чтобы обеспечить хорошую эффективность.
Однако одна проблема, связанная с такими керамическими горелками, состоит в том, что из-за того, что керамические горелки подвергаются воздействию высоких температур и высокой разницы температур, огнеупорные кирпичи сжимаются и расширяются. Со временем это ведет к разрушению кирпича и сокращает срок службы керамической горелки.
Другой проблемой является горючее топливо, например газ СО, просачивающееся из камеры сгорания и являющееся причиной высокой концентрации СО в отработанных газах. Эта проблема в большой степени присутствует в воздухонагревателях, где питающая камера горелки и камера отработанных газов расположены близко друг к другу в нижней секции воздухонагревателя, отделяясь друг от друга только огнеупорными кирпичами. Вследствие пористости огнеупорных кирпичей такое разделение огнеупорных кирпичей никогда не может быть полностью газонепроницаемым. Утечка топлива из топочной камеры, например в камеру отработанных газов, усугубляется стареющими кирпичными стенками. Утечка газа СО в камеру отработанных газов и, следовательно, в отработанные дымы приводит к слишком высокой концентрации СО.
Кроме того, перепуск топлива или воздуха между топочными или воздушными камерами в питающей камере горелки вызывает преждевременное смешивание, которое может вести к нежелательному и преждевременному сгоранию смеси.
Перепуск из топочной камеры в воздушную камеру, а также наоборот, может вызвать неконтролируемое повреждение огнеупорного материала и ускорить разрушение огнеупорных кирпичей.
US 4997362 описывает газонепроницаемый металлический топливный контейнер, расположенный в питающей камере горелки, при этом топливный контейнер содержит в себе топочную камеру, а стенной участок топливного контейнера образует перегородку между топочной камерой и воздушной камерой, предотвращая тем самым перепуск из топочной камеры в воздушную камеру, а также наоборот.
Цель изобретения
Поэтому целью данного изобретения является разработка улучшенной керамической горелки для использования в камере сгорания регенеративного теплового генератора, такого как доменный воздухонагреватель. Эта цель достигнута посредством горелки по пункту 1 формулы изобретения.
Общее описание изобретения
Для достижения этой цели данное изобретение предлагает керамическую горелку для использования в камере сгорания регенеративного теплового нагревателя, такового как доменный воздухонагреватель или доменная печь, при этом керамическая горелка содержит питающую камеру горелки с перегородкой для разделения питающей камеры горелки на топочную камеру и воздушную камеру. Топочная камера имеет впускное отверстие топлива для приема горючего топлива и выпускное отверстие топлива для подачи горючего топлива к зоне смешивания. Воздушная камера имеет впускное отверстие воздуха для приема воздуха для горения и выпускное отверстие воздуха для подачи воздуха для горения в зону смешивания. Согласно важному аспекту изобретения керамическая горелка далее содержит газонепроницаемый металлический топливный контейнер, расположенный в питающей камере горелки, при этом топливный контейнер содержит в себе топочную камеру, а стенной участок топливного контейнера образует перегородку между топочной камерой и воздушной камерой.
Газонепроницаемый металлический топливный контейнер эффективно предотвращает просачивание содержимого топочной камеры в воздушную камеру, не допуская тем самым его преждевременного смешивания. Таким образом, старение установки оказывает только незначительное влияние на металлический топливный контейнер. Металлическая разделительная стенка не изнашивается до такой степени, чтобы позволить топливу пройти сквозь нее. Поэтому керамическая горелка согласно данному изобретению и регенеративный тепловой генератор, содержащий такую керамическую горелку, имеют более длительный срок службы.
Газонепроницаемый металлический топливный контейнер позволяет топочной камере быть более эффективно изолированной от воздушной камеры внутри питающей камеры горелки и от камеры отработанных газов. Питающая камера горелки разделена на топочную и воздушную камеры просто посредством установки в нее контейнера. Топочная камера определяется как пространство внутри топливного контейнера, а воздушная камера определяется как пространство снаружи топливного контейнера. Более важно, газонепроницаемый металлический топливный контейнер предотвращает любые утечки горючего топлива, такие как богатый СО газ, из топливного контейнера в камеру отработанных газов. Тем самым содержание СО в отработанных дымах не является чрезмерно высоким.
Предпочтительно, перегородка является волнообразной в направлении, перпендикулярном подаче топлива по направлению к зоне смешивания. Предпочтительно, волнообразная стенка образует топливные каналы внутри топливного контейнера и воздушные каналы снаружи топливного контейнера, при этом чередующиеся топливные каналы и воздушные каналы направляют горючее топливо и воздух для горения в зону смешивания. Волнообразная конфигурация разделительной стенки позволяет топливу и воздуху простираться в соответствующую другую камеру, по-прежнему предотвращая их перемешивание. В области перегородки топливо и воздух направляются в зону смешивания в чередующихся топливных и воздушных каналах, открывающихся в зону смешивания. На выходных отверстиях топливной и воздушной камер топливо и воздух уже предварительно перемешаны на входе в зону смешивания. Это обеспечивает улучшенное смешивание топлива и воздуха в зоне смешивания и тем самым улучшенную горючую смесь.
Согласно одному аспекту изобретения топливный контейнер подвешен на металлической конструкции, опирающейся на опорный обод камеры сгорания. Такое подвешенное расположение топливного контейнера в питающей камере горелки позволяет продлить срок службы топливного контейнера и, следовательно, керамической горелки. Действительно, хотя топливный контейнер подвержен эффектам расширения и/или сжатия относительно питающей камеры горелки, сам топливный контейнер свободен для расширения или сжатия внутри питающей камеры горелки, не подвергаясь воздействию сил расширения или сжатия относительно питающей камеры горелки.
Металлическая конструкция может содержать множество металлических брусков, которые могут иметь двойное Т-образное сечение.
Предпочтительно, опорный обод включает в себя множество металлических опорных пластин в огнеупорной кладке камеры сгорания для опоры металлической конструкции. Металлические опорные пластины могут быть расположены так, чтобы подвижно опираться на огнеупорной кладке камеры сгорания. Предпочтительно, металлические опорные пластины расположены во взаимосвязанной конфигурации с тем, чтобы оказывать сопротивление растягивающему усилию. Металлические опорные пластины могут быть скреплены друг с другом болтами.
Топливный контейнер может быть привинчен к металлической конструкции. Это позволяет при необходимости легко отсоединять топливный контейнер для обслуживания или ремонта. Однако следует заметить, что не исключается соединение топливного контейнера к металлической конструкции более постоянным образом, например сваркой.
Согласно одному аспекту изобретения топливный контейнер содержит множество металлических листовых элементов, которые для образования топливного контейнера, предпочтительно, свинчены друг с другом. Поэтому топливный контейнер может быть сооружен на месте. Кроме того, доступ к питающей камере горелки не должен быть таким большим, чтобы топливный контейнер проходил через него в сборе. Доступ может быть оставлен относительно небольшим. Другое преимущество такой конструкции состоит в том, что если участок топливного контейнера поврежден, то этот участок можно легко отсоединить для обслуживания или замены, без необходимости демонтажа всей керамической горелки.
Предпочтительно, металлическая конструкция, и/или топливный контейнер, и/или всасывающий патрубок топливного контейнера изготовлены из нержавеющей стали.
Согласно следующему варианту осуществления изобретения керамическая горелка может, в дополнении к топливному контейнеру, содержать металлический воздушный контейнер, при этом воздушный контейнер содержит в себе воздушную камеру. Несмотря на то что воздушный контейнер здесь подробно не описан, понятно, что он может содержать те же признаки, что и топливный контейнер, в частности относительно его конструкции и крепления внутри питающей камеры горелки.
Краткое описание фигур
Данное изобретение будет более понятным из следующего описания неограничивающего варианта осуществления изобретения со ссылкой на прилагаемые чертежи. На этих чертежах идентичные ссылочные позиции используются для обозначения идентичных или схожих элементов.
Фиг.1: схематичный разрез через доменный воздухонагреватель, содержащий керамическую горелку согласно изобретению,
фиг.2: вид в перспективе топливного контейнера керамической горелки согласно изобретению, и
фиг.3: вид в перспективе узла в сборе, содержащего представленный на фиг.2 топливный контейнер и опорную структуру для топливного контейнера.
Подробное описание фигур
На фиг.1 показан разрез через типичный доменный воздухонагреватель 10, содержащий камеру 12 сгорания и теплоизоляционную камеру 14, отделенные друг от друга стенкой 16, сооруженной из огнеупорных кирпичей. В нижней секции 18 камеры 12 сгорания расположена керамическая горелка 20. Керамическая горелка 20 содержит питающую камеру 21 горелки с впускным отверстием 22 топлива для подачи горючего топлива, обычно газа, к топочной камере 24 питающей камеры 21 горелки и впускное отверстие 26 воздуха для подачи воздуха для горения к воздушной камере 28 питающей камеры 21 горелки. Топочная и воздушная камеры 24, 28 отделены друг от друга с помощью перегородки 30. Топочная камера 24 имеет выпускное отверстие 32 топлива, открывающееся в зону 34 смешивания. В зоне 34 смешивания горючее топливо и воздух для горения смешиваются для образования горючей смеси, которая затем сжигается в камере 12 сгорания доменного воздухонагревателя 10.
Во время работы доменного воздухонагревателя 10 горючее топливо и воздух для горения подаются в керамическую горелку 20, и получающаяся горючая смесь поджигается. Образующиеся в результате сгорания топочные газы горючей смеси поднимаются в камере сгорания 12 вверх. На верхнем конце камеры 12 сгорания горячие топочные газы входят в купол 38, который отводит их в теплоизоляционную камеру 14, заполненную насадочными кирпичами, схематично представленными ссылочным обозначением 40. По мере прохождения топочных газов через теплоизоляционную камеру 14, насадочные кирпичи 40 абсорбируют теплоту из топочных газов. Насадочные кирпичи 40 поддерживаются в теплоизоляционной камере 14 над камерой 41 отработанных газов с помощью поднасадочной решетки 42. Топочные газы, которые теперь охлаждены, выходят из воздухонагревателя 10 через камеру 41 отработанных газов через выпускное отверстие 43.
Как только насадочные кирпичи 40 нагреты до достаточно высокой температуры, подача воздуха для горения и топлива прекращается, и воздух вдувается через воздухонагреватель 10 в противоположном направлении. Этот воздух является нагретым, так как он проходит через содержащую насадочные кирпичи 40 теплоизоляционную камеру 14. Затем нагретый воздух через купол 38 подается в камеру 12 сгорания. Наконец, горячий воздух выходит из камеры 12 сгорания через выпускное отверстие 44 горячего дутья, подаваемого в доменную печь (не показано).
Согласно важному аспекту изобретения керамическая горелка 20 содержит газонепроницаемый металлический топливный контейнер 48, который расположен в питающей камере 21 горелки. Стенной участок топливного контейнера 48 образует перегородку 30. Перегородка 30, которая является металлической, образует газонепроницаемый барьер между топочной и воздушной камерами 24, 28, предотвращая тем самым любую утечку газа из топочной камеры 24 в воздушную камеру 28. Более важно то, что газонепроницаемый металлический топливный контейнер 48 также не допускает утечки газа из газовой камеры 24 в камеру 41 отработанных газов через стенку 16 огнеупорных кирпичей.
Топливный контейнер 48 может быть описан более подробно со ссылкой на фигуры 2 и 3. Топливный контейнер содержит нижний участок 52, первый стенной участок 54, соответствующий боковой стенке питающей камеры 21 горелки, второй стенной участок 56, образующий перегородку 30, и верхний участок 58, при этом топочная камера 24 расположена в топливном контейнере 48. В первом стенном участке 54 расположено первое отверстие 60 для соединения с впускным отверстием 22 топлива. Верхний участок 58 содержит второе отверстие 62 для подачи топлива из топливного контейнера 48 в зону 34 смешивания.
Второй стенной участок 56 является волнообразным так, что в области второго стенного участка 56 чередующиеся каналы воздуха и топлива направлены в зону 34 смешивания. Это обеспечивает хорошие условия смешивания для воздуха и топлива. Как можно видеть на фиг.2, второй стенной участок 56 сконструирован из множества металлических листовых элементов 64, которые соединены между собой. Предпочтительно, первый стенной участок 54 и нижний участок 52 также сконструированы из таких металлических листовых элементов 64. Такая конструкция, в которой отдельные металлические листовые элементы 64 соединены вместе, например посредством винтов, позволяет сборку топливного контейнера 48 на месте (on-site) внутри питающей камеры 21 горелки.
Следующий важный аспект данного изобретения может быть проиллюстрирован со ссылкой на фиг.3 и касается соединения топливного контейнера 48 в питающей камере 21 горелки. Питающая камера 21 горелки снабжена опорным ободом (не показано), на котором держится металлическая конструкция 66. Металлическая конструкция 66 служит в качестве опорной структуры для топливного контейнера 48. Верхний участок 58 топливного контейнера 48 соединен с металлической конструкцией таким образом, что топливный контейнер 48 подвешен на металлической конструкции 66. Подвешенное расположение топливного контейнера 48 в питающей камере 21 горелки защищает последнюю от любых сил расширения или сжатия вследствие разницы температур. Таким образом, срок службы керамической горелки 20 продлевается.
Металлическая конструкция 66 содержит металлические опорные пластины 68, опирающиеся на опорный обод, и множество металлических брусков 70, расположенных параллельно и опирающихся на металлические опорные пластины 68. Металлические бруски 70 могут иметь, как показано на фиг.3, двойное Т-образное сечение. Топливный контейнер 48 может быть соединен с металлической конструкцией 66 посредством винтов. Топливо и воздух, выходящие из топочной и воздушных камер 24, 28, проходят между металлическими брусками 70 и достигают зоны 34 смешивания.
Предпочтительно, топливный контейнер 48 и металлическая конструкция 66 изготовлены из нержавеющей стали.