ВОЗДУХОНАГРЕВАТЕЛЬ ДОМЕННОЙ ПЕЧИ

ВОЗДУХОНАГРЕВАТЕЛЬ ДОМЕННОЙ ПЕЧИ
Полезная модель относится к черной металлургии, в частности, к нагреванию доменного дутья в воздухонагревателях доменной печи.
Известна керамическая горелка и регенератор тепла, оснащенный этой горелкой, которая снабжена трубопроводами подачи горючего газа и воздуха горения, а также средством создания турбулентности, (см. патент Украины №49099С2, МПК6 F23D 14/22, F23D 14/70, C21B 9/00, «Газовая керамическая горелка и регенеративный тепловой генератор», патентообладатель «ДАНИЕЛИ КОРУС ЮРОП БВ» (NL), опубл. 16.09.2002, Бюл. №9, 2002 р. далее - аналог).
Согласно аналогу, по меньшей мере, один из подающих трубопроводов - первый или второй - обеспечен средством создания турбулентности компонента горения при его выходе из данного трубопровода (трубопроводов). Такая турбулентность создается, если вблизи выпускного отверстия (отверстий), по меньшей мере, первого и/или второго подающего трубопровода упомянутые средства содержат ступенчатое расширение поперечного пересечения этого трубопровода. Это ступенчатое расширение образовано формой перегородки, а за ступенчатым расширением до конца перегородки следует плавное расширение, в результате чего образуется камера турбулентности.
Существенным признаком аналога, сходным с существенным признаком предложенной полезной модели, является наличие устройств для турбулизации потоков воздуха и газа с целью улучшения качества сжигания газа при расположении горелки в нижней части камеры сжигания.
Недостатками технических решений, принятых в аналоге, являются: недостаточная эффективность турбулентности, которая не обеспечивает эффективного перемешивания газа и воздуха, а также отсутствие раздробления потоков газа и воздуха в горелке на большое количество закрученных струй, что не позволяет достичь количества недожига CO на выходе из дымовых штуцеров воздухонагревателя (как в устройстве, которое предлагается, - до 10-20 мг/м3).
Известна конструкция воздухонагревателя доменной печи, которая содержит камеру насадки и камеру сжигания компонентов сгорания, в нижней секции которой установлена керамическая горелка (см. патент RU №2446354С2, МПК (2006.01) F23D 14/22, F24H 3/00, C21 9/00, «Керамическая горелка», Патентообладатель «ПОЛЬ ВЮРТ РИФРЕКТОРИ УНД ЭНДЖИНИРИНГ ГМБХ» (DE), опубл. 27.03.2012, далее - прототип).
Согласно прототипу предложена керамическая горелка для использования в камере сгорания доменного воздухонагревателя, при этом керамическая горелка содержит питающую камеру горелки с перегородкой для разделения питающей камеры на газовую и воздушную камеры. Газовая 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 горения и выпускное отверстие воздуха для подачи воздуха горения в зону смешивания. Керамическая горелка 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 газовой и воздушной камерами. Перегородка выполнена волнообразной в направлении, перпендикулярном подаче топлива по направлению к зоне смешивания. Волнообразная стенка образует топливные каналы внутри топливного контейнера и воздушные каналы снаружи топливного контейнера, при этом переменные топливные каналы и воздушные каналы направляют горючее топливо и воздух для горения в зону смешивания. Волнообразная конфигурация разделительной стенки позволяет топливу и воздуху тянуться в соответствующую другую камеру, как и раньше, предотвращая их перемешивание. В области перегородки топливо и воздух следуют в зону смешивания в переменных топливных и воздушных каналах, которые открываются в зону смешивания.
Существенными признаками прототипа, сходными с существенными признаками предложенной полезной модели, являются: наличие газовой и воздушной камер горелки и разделяющей их перегородки, на газовую и воздушную камеры; наличие каналов для воздуха и топлива в горелке; наличие перегородки между камерами воздуха и топлива; наличие штуцеров (подводов) газа и воздуха к горелке.
Недостатками прототипа являются:
- низкое качество смешивания топлива и воздуха, которые в сущности смешиваются не в горелке, а в камере сжигания;
- отсутствие тангенциальных или встречных потоков струй воздуха и топлива, которые (последние) эффективно ведут к качественному их смешиванию;
- горелка названа керамической, но керамической является лишь камера сжигания, а горелка в прототипе в основном металлическая. Металлическая конструкция в воздухонагревателе, расположенная в атмосфере дутья, обогащенного кислородом до 23-30%, неработоспособна. Это доказано практикой, в частности, опытом установки жаростойких кессонов из металлических листов, толщиной 8 мм между двумя окатами разделяющей стены воздухонагревателя (между камерами сжигания и насадки) на воздухонагревателях доменных печей Магнитогорского комбината в 80-х годах 20 века. Через один год кессоны прокорродировали, рассыпались и были полностью разрушены и выдуты дутьем. Элементы металлической конструкции горелки в период дутья, находясь в зоне вихревой циркуляции горячего дутья будут окисляться и корродировать, что приводит к большим простоям воздухонагревателя на операцию замены горелок. При применении подогретых воздуха и газа с температурой 200-300°C, прогрев металлических частей горелки начнется уже в период «нагрева» воздухонагревателя и продлится в период «дутья» дутьем, которое будет постоянно обновляться благодаря вихревому движению дутья в металлической части горелки, - застойной зоны там не будет.
3
3
В основу полезной модели поставлена задача усовершенствовать конструкцию воздухонагревателя доменной печи путем повышения качества подготовки газовоздушной смеси для горения за счет оснащения его керамической горелкой с большим количеством сквозных каналов, расположенных тангенциально, и выбора оптимальных соотношений диаметра камеры сгорания и диаметра форкамеры, а также соотношений диаметров форкамеры и пережима, высоты и внутреннего диаметра форкамеры. Это обеспечивает высокое качество сгорания газа, что способствует снижению вредных выбросов в атмосферу и получению экономии доменного газа при отоплении воздухонагревателя. При этом, содержание CO на выходе из воздухонагревателя не превышает 10-20 мг/м при нормах, например, ТА Luft, ФРГ, до 100 мг/м, а существующее содержание CO после воздухонагревателей, оборудованных металлическими горелками, в 100 раз больше.
фк
фк
фк
фк
фк
кс
фк
кс
фк
фк
Поставленная задача решается тем, что в воздухонагревателе доменной печи, содержащем камеру насадки и камеру сжигания, в нижней части которой установлена керамическая горелка, выполненная с газовой и воздушной камерами, разделенными перегородкой, и каналами для подачи газа и воздуха, причем камеры сжигания и насадки соединены между собой в подкупольной части воздухонагревателя, подводы воздуха горения и газового топлива к керамической горелке, подвод холодного дутья и отвод горячего дутья и отработанных продуктов сжигания, согласно полезной модели, керамическая горелка выполнена в виде форкамеры с днищем в форме полусферы и вертикальными боковыми стенками, образующими в верхней части форкамеры пережим, при этом в вертикальных боковых стенках форкамеры выполнены сквозные каналы, одни из которых соединены с газовой, а другие - с воздушной камерами для подачи газа и воздуха непосредственно в форкамеру, причем отношение высоты форкамеры H горелки к внутреннему диаметру форкамеры D составляет H/D=1,35÷1,45, отношение D к диаметру d пережима форкамеры - D/d=1,30÷1,42, отношение D к внутреннему диаметру камеры сжигания D составило D/D=0,67÷1,34, а днище форкамеры в форме полусферы, выполнено с радиусом r, равным r=D/2, при этом нижние каналы форкамеры выполнены с выступом кирпичей в форкамеру и срезаны снизу горизонтальной плоскостью на длине выступа кирпичей в форкамеру на протяженности половины высоты боковой стенки нижнего ряда каналов стенки, а длина b выступа кирпичей, которыми выложены сквозные каналы, составляет b=(0,0166…0,025)D.
Причем, воздухонагреватель доменной печи содержит выносную или встроенную камеру сжигания.
Кроме того, в воздухонагревателе доменной печи газовая и воздушная камеры выполнены в виде коллекторов и расположены между футеровкой наружной стенки и футеровкой вертикальной внутренней стенки друг над другом с перегородкой между ними, при этом выходные сквозные каналы расположены тангенциально, газовая и воздушная камеры соединены с патрубками подвода газа и воздуха, а угол а между осями патрубков подвода воздуха и газа к форкамере составляет 7,5°-15° к горизонтальной оси камеры сжигания.
Причинно-следственная связь между существенными признаками полезной модели и достигаемым техническим результатом, заключается в следующем.
фк
фк
В случае, если будет превышено соотношение внутреннего диаметра форкамеры D к диаметру пережима d на выходе из форкамеры D/d>1,42, то существенно увеличится газодинамическое сопротивление горелки, которая приведет к уменьшению тепловой мощности воздухонагревателя (ВН) и температуры горячего дутья (ГД).
фк
фк
Если же D/d<1,30, и H/D<1,35, то количество CO на выходе из ВН будет % CO>20 мг/м3 потому, что поток продуктов сжигания будет недостаточно диафрагмирован и смешан, чтобы обеспечить плотный контакт закрученных струй, которые вышли из тангенциальных каналов и создают эффект «торнадо» в форкамере.
фк
Если же за счет увеличения высоты форкамеры H будет превышено соотношение H/D>1,45, то капитальные расходы на сооружение форкамеры чувствительно возрастут.
кс
фк
кс
Соотношения диаметров камеры сжигания D и форкамеры Dфк составляют D/D=0,67÷1,34.
фк
кс
фк
кс
Если D/D>1,34, то в ней возникнет пульсационное горение, если же D/D<0,67, то струи недостаточно перемешаются в форкамере, и капитальные расходы на сооружение камеры сжигания заметно увеличатся.
фк
Выступ b кирпичей нижнего ряда отверстий в форкамеру составляет b/Dфк=0,0166…0,025. Если b/Dфк>0,025, то выдвинутые в форкамеру кирпичи будут существенно мешать ниспадающим с верхних кирпичей потокам обратных кольцевых вихрей достигать дна форкамеры, а если будет b/D<0,0166, то потоки, вытекающие в направлении полусферического дна форкамеры из срезанных снизу горизонтальной плоскостью кирпичей, будут более слабы, чем струи, достигающие дна форкамеры благодаря эффекту «торнадо», и это ослабит перемешивание смеси воздуха и газа, а также и полноту сгорания топлива.
Каналы нижнего ряда отверстий стены форкамеры срезаны снизу горизонтальной плоскостью на длине выступа кирпичей в форкамеру, а по высоте - на протяженности полвысоты кирпичей с отверстиями, потому что, если срезать кирпичи на высоте, большей половины высоты кирпича, то это существенно уменьшит их прочность, а, если срезать кирпичи снизу на высоте, меньшей половины высоты кирпича, то площадь для истекания газа в сторону полусферического дна форкамеры будет недостаточной для достижения вытекающим газом количества движения соседних струй, которые двигаются вниз, ко дну, благодаря эффекту «торнадо».
кс
Приведенные данные получены путем расчетов и физического моделирования. Принималось, что соотношение общей тепловой мощности Мобщ к сечению F камеры сжигания, которое не вызывает пульсационного (вибрационного) горения в камере сжигания, составляет 8,5÷10 мВт/м2.
Угол α в плане между патрубками подвода воздуха и газа к форкамере горелки и горизонтальной осью камеры сжигания (форкамеры) составляет α=7,5…15°. Если угол а будет меньше 7,5°, то это будет мешать работе шиберов горелки, а если угол α будет больше 15°, то кладка штуцеров горелки будет находиться в зоне заделки углов форкамеры, и стойкость штуцеров ВН будет низкой.
Предлагаемая конструкция воздухонагревателя доменной печи поясняется чертежами, где, на фиг. 1 представлен воздухонагреватель доменной печи с выносной камерой горения, а на фиг. 2 - воздухонагреватель доменной печи в встроенной камерой горения.
Воздухонагреватели с выносной (фиг. 1) и встроенной (фиг. 2) камерами сжигания работают следующим образом.
Газ и воздух, которые закручиваются в тангенциально расположенных каналах стены форкамеры 1 (фиг. 1, фиг. 2) зажигаются в ней, продукты сжигания опускаются к сферическому дну 2 форкамеры 1, после чего закрученные дымовые газы поднимаются вверх (эффект «торнадо»), выходят сквозь пережим 3 с диаметром d в камеру сжигания 4, и дальше - под купол 5, в насадку 6, поднасадочное пространство 7, дымовой патрубок, лежак и дальше в дымоход. Футеровка форкамеры 1 опирается на опорные ряды 8 футеровки камеры сжигания 4. При этом внутренние коллекторы ввода газа 9 и воздуха 10, расположенные между внешней стеной 11 форкамеры 1 и вертикальной боковой внутренней стенкой 12 форкамеры 1 керамической горелки, установленные один над другим с перегородкой 13 между ними, имеют выходные сквозные каналы 14, 15, 16, 17, выполненные в вертикальной боковой стенке 12 форкамеры 1 с возможностью подачи воздуха и газа непосредственно в форкамеру 1 и внутренние коллекторы 9 ввода газа и воздуха 10 в форкамеру 1, которые соединены с патрубками подводу газа 18 и воздуха 19, которые вводятся симметрично (в плане) относительно горизонтальной оси ВН, которая является также горизонтальной осью форкамеры. При этом, угол между указанной осью и осями патрубков подвода воздуха 19 и газа 18 составляет в плане 7,5-15°, причем нижние каналы 14 в стене 12 форкамеры 1, срезаны снизу горизонтальной плоскостью на полвысоты кирпичей 20, из которых выложены сквозные каналы 14 форкамеры 1 и имеют прорезь снизу с диаметром, который равен диаметру других сквозных каналов, и последние выдвинуты внутрь форкамеры протяжностью b=(0,0166…0,025) Dфк (узел «E», сечение e-f, а днище 2 горелки выполнено в виде полусферы, радиус которой r=Dфк/2. Во время дутья холодное дутье подается через патрубок 21 в поднасадочное пространство 7, насадку 6, купол 5, камеру сжигания 4, штуцер горячего дутья 22, тракт горячего дутья и дальше в доменную печь (клапан горячего дутья открыт).
3
3
Таким образом, воздухонагреватель доменной печи обеспечивает высокое качество сгорания газа, что способствует получению экономии доменного газа и снижению вредных выбросов при отоплении воздухонагревателя. При этом, содержание CO на выходе из воздухонагревателя не превышает 10-20 мг/м при нормам, например, ТА Luft, ФРГ, до 100 мг/м, а существующее содержание CO после воздухонагревателей, оборудованных металлическими горелками, в 100 раз больше.