Бесшахтный воздухонагреватель
SHAFTLESS AIR HEATER

Изобретение относится к металлургии, в частности, к конструкции бесшахтных воздухонагревателей регенеративного типа для доменных печей, обеспечивающих стабильность и безопасность их работы.
Существенной проблемой эксплуатации почти всех известных доменных бесшахтных воздухонагревателей регенеративного типа является обеспечение устойчивого беспульсационного горения топлива в цикле отопления воздухонагревателя. Многие исследователи сжигания топлива в больших объемах, включая воздухонагреватели доменных печей, отмечают, что пульсация горения автоколебательным процессом, присущим в основном к конструктивным элементам воздухонагревателя. Как правило, пульсацию горения связывают с размерами камер горения, каналов подачи газа и воздуха горения, переходными сечениями и другими конструктивными особенностями воздухонагревателя. На сегодняшний день известны конструкции воздухонагревателей, отличающихся незначительными элементами [1,2,3,4,5,6,7,8]. Однако пульсации горения у всех известных бесшахтных воздухонагревателей остаются и возникают при определенных режимах горения или при нарушении экспериментально установленных режимов для определенного типоразмера воздухонагревателя.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является бесшахтный воздухонагреватель по патенту RU 2554239 [8], содержащий цилиндрическую камеру с насадкой, расположенный над насадкой купол, имеющий цилиндрическую часть, а также расположенную над цилиндрической частью сужающуюся часть, и расположенную над ней цилиндрическую горловину, сообщающуюся с расположенной над куполом форкамерой. В боковых стенках форкамеры размещены каналы воздуха и газа в форкамеру. Бесшахтный воздухонагреватель выполнен с отношением диаметра цилиндрической горловины к диаметру цилиндрической части купола, находящимся в пределах от 0,31 до 0,41.
Кроме того, бесшахтный воздухонагреватель [8] снабжен штуцерами для подачи газа и воздуха в форкамеру и штуцером для отбора горячего воздуха из купола. Стенки воздухонагревателя имеют футеровку. Сужающаяся часть купола может быть выполнена, как конической формы, так и шаровидной.  Общим недостатком всех известных воздухонагревателей регенеративного типа, включая  воздухонагреватель [8] является то, что при переменных режимах горения и, особенно, при запуске цикла нагрева огнеупорной насадки,  возникает пульсационный режим горения, который приводит к неполноте сгорания газа и может возбуждать резонансные колебания во всей системе воздухонагревателя. Как правило, такие пульсационные режимы горения автоматически прекращаются после достижения определенной степени разогрева системы.
Задачей настоящего изобретения является полное устранение пульсаций горения топлива путем стабилизации воспламенения газа и его горения.
Для решения поставленной задачи предложен бесшахтный воздухонагреватель, который, как и прототип, содержит цилиндрический кожух с огнеупорной футеровкой и теплообменной насадкой, штуцер горячего дутья, плавно сужающийся к верху купола цилиндрический участок в горловине, над которым соосно расположена форкамера горелочного узла с штуцерами подачи газа и воздуха горения. Новый воздухонагреватель отличается тем, что форкамера горелочного узла воздухонагревателя снабжена по крайней мере одной дополнительной горелкой-стабилизатором горения газа, а выходы штуцеров подачи газа и воздуха горения в форкамеру выполнены тангенциальными и расположены по крайней мере с двух противоположных сторон от форкамеры.
Кроме того, бесшахтный воздухонагреватель отличается тем, что дополнительная горелка-стабилизатор горения топлива выполнена плоскопламенной и расположена, предпочтительно, по оси форкамеры.
Бесшахтный воздухонагреватель отличается тем, что дополнительная горелка-стабилизатор горения топлива выполнена с возможностью регулирования формы и длины факела.
Бесшахтный воздухонагреватель отличается тем, что тангенциальные выходы штуцеров подачи газа и воздуха горения в форкамеру выполнены сужающимися и переходящими в плоские каналы прямоугольного сечения.
Бесшахтный воздухонагреватель отличается тем, что тангенциальные выходы штуцеров подачи газа и воздуха горения в форкамеру расположены по горизонту на одном уровне.
Снабжение форкамеры горелочного узла бесшахтного воздухонагревателя по крайней мере одной дополнительной горелкой-стабилизатором горения топливного газа, позволяет решить задачу ликвидации пульсаций горения в системе «форкамера-купол воздухонагревателя», благодаря тому, что дополнительная горелка-стабилизатор горения газа в форкамере гарантированно обеспечивает стабилизацию горения топлива в самой форкамере. Как правило, пульсации при горении топлива возникают в любой системе из-за нестабильности горения топлива. В случае кратковременного погасания пламени (горения)  в закрытое пространство, в данном случае в форкамеру воздухонагревателя,  накачивается газ и воздух, а далее, при последующем воспламенении накаченного топлива, образуется большое количество продуктов горения, давление в форкамере скачкообразно возрастает, а система этот объем не способна пропустить, возникает волновое движение газа, которое формирует в конечном итоге пульсационный режим. При снабжении форкамеры дополнительной горелкой-стабилизатором горения топлива, подаваемого в форкамеру, такой режим невозможен.
Такие явления хорошо описаны в исследовательских работах Всесоюзного научно-исследовательского института металлургической теплотехники (ВНИИМТ) [9], выполненных на воздухонагревателях всех известных типов
Выполнение выходов штуцеров подачи газа и воздуха горения в форкамеру тангенциальными с расположением по крайней мере с двух противоположных сторон форкамеры, позволяет сформировать в форкамере циклонный эффект, который, при наличии дополнительной горелки-стабилизатора горения, во-первых, предварительно перемешав газ и воздух,  обеспечивает некоторое охлаждение стенок форкамеры входящим потоком газа и воздуха; во-вторых, обеспечивает после воспламенения смеси ровный процесс горения в форкамере с направленным давлением потока смеси от периферии к центру (оси), возникающим за счет центробежных сил, как в циклонной топке.
Выполнение дополнительной горелки-стабилизатора с возможностью регулирования формы и длины пламени позволяет обеспечить быстрое и непрерывное воспламенение топлива и практически полное его сгорание в пределах форкамеры.
Выполнение выходов штуцеров подачи газа и воздуха горения в форкамеру сужающимися обеспечивает повышенную скорость потоков и их высокую турбулентность, что ускоряет смесеобразование топлива и окислителя, соответственно, стабилизацию горения и подавление пульсаций.
Расположение штуцеров подачи газа и воздуха горения по горизонту на одном уровне позволяет также ускорить смесеобразование и стабилизацию процесса горения.
На фиг.1 изображен общий вид бесшахтного воздухонагревателя в разрезе; на фиг.2 представлена схема размещения штуцеров подачи газа и воздуха горения в сечении форкамеры.
Бесшахтный воздухонагреватель содержит цилиндрический кожух 1 с футеровкой 2, теплообменную насадку 3, штуцер горячего дутья 4, купол 5 с цилиндрическим участком 6, расположенный на его верхней части, форкамеру 7 со штуцерами 8 и 9 для подачи газа и воздуха горения, дополнительную горелку-стабилизатор горения 10, расположенную на своде форкамеры 7 соосно с ней.
Предлагаемый бесшахтный воздухонагреватель имеет существенные преимущества и отличия перед известными воздухонагревателями, которые направлены на стабилизацию горения и исключение пульсаций.  Новый технический результат, достигаемый заявленным изобретением, заключается в стабилизации воспламенения газа и его горения.
Воздухонагреватель работает следующим образом. В период нагрева воздухонагревателя в первую очередь включается дополнительная горелка-стабилизатор горения 10. Вслед за этим включается подача воздуха горения по штуцеру 8 и газа отопления по штуцеру 9. Газ и воздух горения, подаваемые в форкамеру 7 тангенциально и на одном уровне, первоначально соприкасаясь со стенками, перемешиваются и дополнительно подогреваются от стенок форкамеры 7 (в случае, когда воздухонагреватель уже включался). При соприкосновении перемешанной смеси газа и воздуха с пламенем дополнительной горелки-стабилизатора горения 10, газовоздушная смесь воспламеняется и продолжает стабильно сгорать уже в форкамере 7 без перебоев в процессе горения за счет работы дополнительной горелки-стабилизатора горения, которая обеспечивает стабилизацию горения, благодаря непрерывному поддержанию необходимого уровня теплоты и температуры в форкамере 7 независимо от температуры ее стенок. В пуско-наладочный период дополнительная горелка-стабилизатор горения 10 настраивается благодаря возможности регулирования формы и длины факела.
Как известно, при крупномасштабной турбулентности (что имеет место в форкамере воздухонагревателя) скорость распространения пламени определяется гидродинамическими характеристиками потока и не зависит от химических свойств смеси [10]. По теории объемного сгорания,  турбулентное пламя представляется как зона горения, раздробленная на отдельные очаги. Химическое реагирование происходит во всем объеме, в гомогенной смеси исходных веществ и продуктов сгорания, поэтому дополнительная горелка-стабилизатор горения в большом объеме форкамеры 7 воздухонагревателя доменной печи имеет основополагающее значение в вопросе стабилизации горения в крупномасштабной турбулентности больших масс топливно-воздушной смеси и, соответственно, в устранении низкочастотных пульсаций, имеющих место практически во всех известных воздухонагревателях, построенных без дополнительной горелки-стабилизатора горения.
Тепловое напряжение объема факела возрастает с уменьшением диаметра выходного сечения горелки (подающих газ и воздух штуцеров 8, 9), поэтому сужение выходного сечения штуцеров 8, 9 перед входом в форкамеру 7 играет существенную роль в решении поставленной задачи устранения пульсаций в воздухонагревателе.
m
Вид горения в форкамере 7 относится к диффузионному горению газов, которое имеет место при раздельной подаче газа и воздуха горения. При турбулентном диффузионном горении относительная длина зоны воспламенения при данном топливе одинакова для горелок различных размеров и зависит от стехометрического числа и концентрации кислорода в окружающей среде. В данном случае окружающей средой является воздух горения, которым заполняется пространство форкамеры 7.
В известных воздухонагревателях предполагается, что температура в верхней части форкамеры достаточна для воспламенения газа [3]. Расчеты показывают, что первоначальная температура стенок форкамеры 7 действительно обеспечивает возгорание газа от теплоты за счет разогрева в период дутья, однако в последующие моменты температура поверхности кладки форкамеры быстро падает из-за плохой теплопроводности глубинных слоев кладки, что нарушает процесс непрерывного горения газа, пламя в этом случае представляется как очаговое горение, чем и объясняется образование пульсаций, в основном из-за недостатка тепловой напряженности в форкамере в последующие периоды. В заявленном изобретении дополнительная горелка-стабилизатор горения, установленная в своде форкамеры, создает условия для непрерывного горения независимо от теплового состояния кладки форкамеры 7.  Газ и воздух, тангенциально обтекая кладку форкамеры 7, подогреваются и от периферии закрученного потока поступают диффузионно к центру форкамеры 7 в осевую зону горения факела дополнительной горелки-стабилизатора горения 10, благодаря чему устраняются пульсации, как правило, вызываемые в известных бесшахтных воздухонагревателях нестабильностью сгорания газа из-за низкой теплонапряженности в их форкамерах.
При закручивании всего потока газовоздушной смеси на входе в форкамеру 7 и наличии дополнительной горелки-стабилизатора горения 10, закрученный в форкамере 7 поток,  на выходе из форкамеры получает дополнительный импульс вращения благодаря уменьшению диаметра на выходе из форкамеры 7. Вращающийся поток продуктов горения, попадая в зону расширения купола 5, быстро расширяется на всё сечение купола 5 и насадки 3 и равномерно обтекает огнеупорную насадку 3 по всему сечению.
В цикле дутья холодное дутье поступает в насадку 3 снизу и, обтекая нагретую огнеупорную насадку, нагревается, поступает в купол 5 и через штуцер горячего дутья 4 подается в доменную печь. В цикле дутья форкамера 7 может, при необходимости, подстуживаться включением воздуха горения без подачи газа дополнительной горелки-стабилизатора горения 10, что повысит срок службы огнеупорной футеровки форкамеры 7.
Благодаря наличию дополнительной горелки-стабилизатора горения 10 в форкамере 7 воздухонагреватель может работать в широком диапазоне подачи газа и воздуха горения без пульсаций, что повышает надежность и безопасность эксплуатации воздухонагревателя. При необходимости предлагаемая конструкция воздухонагревателя позволяет легко переходить на другой вид газового топлива.
Таким образом, заявленный бесшахтный воздухонагреватель позволяет достичь полного устранения пульсаций горения топлива путем стабилизации воспламенения газа и его горения.
Источники информации:
1. DE 318068, 10.01.1920;
2. SU 926017, публ.07.05.1982;
3. RU 2145637, публ. 20.02.2000;
4. RU 2177040, публ. 20.12.2001;
5. RU 2215792, публ.10.11.2003;
6. RU 65890, публ.27.08.2007;
7. RU 2316600, публ. 10.02.2008;
8. RU 2554239, публ.27.06.2015;
9. Исследование и устранение пульсирующего горения в доменных воздухонагревателях: Автореферат дис. на соискание ученой степени кандидата технических наук. (321) / Уральский политехн. ин-т им. С. М. Кирова. - Свердловск : [б. и.], 1971. - 25 с.
10. Теплотехнический справочник: В 2 т. / Под общ. ред. В. Н. Юренева и П. Д. Лебедева. - 2-е изд., перераб. - Москва : Энергия, 1976.  Том 2, стр. 345.