ВОЗДУХОНАГРЕВАТЕЛЬ ДОМЕННОЙ ПЕЧИ

Полезная модель относится к области черной металлургии, в частности к конструкции воздухонагревателей для нагрева доменного дутья.
Известен воздухонагреватель, содержащий кожух с куполом, снабженный футеровкой, насадку, штуцер горячего дутья, расположенный над насадкой, форкамеру, коллекторы газа и воздуха со штуцерами и каналами, (см. патент RU №2145637, МПК 7 С21В 9/02 опуб. в 20.02.2000 г., бюл. №5).
В соответствии с патентом, фор камера расположена в верхней части купола соосно с ним и снабжена кожухом с футеровкой, выполненной независимо от футеровки купола с самостоятельной опорой на кожух купола, внутренние коллекторы газа и воздуха расположены между кожухом и боковой стенкой футеровки форкамеры друг над другом с горизонтальной перегородкой между ними, а каналы, которые соединяются с коллекторами, выполнены в вертикальной стенке футеровки форкамеры с возможностью подачи газа и воздуха непосредственно в форкамеру.
Как известно, одним из условий обеспечения удовлетворительного перемешивания газа и воздуха в форкамере является создание их закрученных потоков. Для решения этой задачи в форкамере создают закрученный поток за счет тангенциального расположения каналов для подачи газа и воздуха в форкамеру. Дополнительно для улучшения перемешивания газа и воздуха в воздухонагревателе предусмотрено оси воздушных каналов верхнего ряда из нижнего коллектора направить к оси форкамеры и сместить их вверх от горизонтальной плоскости на угол до 30°. Но форкамеры воздухонагревателей крупных доменных печей имеют большие поперечные размеры, и для прохода к оси форкамеры воздушные струи должны преодолеть закрученный поток газа значительной толщины, который их сносит от заданной траектории. Для этого нужно значительно увеличить их скорости и установить более мощные нагнетатели воздуха, что увеличит энергетические затраты. К тому же может возникнуть тот случай, когда неполное сгорание газа в центральной части форкамеры приведет к ухудшению экологических и экономических показателей воздухонагревателей.
То есть, в форкамере для каналов разных рядов, выходящих из одного коллектора, необходимо разное давление в этом коллекторе, что обеспечить невозможно. Поскольку для обеспечения давления воздуха в коллекторе устанавливают нагнетатели с обычными давлениями, то скорость струй из каналов верхнего ряда оказывается недостаточной, и к центру форкамеры не поступает того количества воздуха, которое необходимо для полного сжигания газа, в результате чего часть газа не сгорает и выбрасывается в атмосферу.
Недостатками такого воздухонагревателя также является:
- возможность смешивания газа и воздуха еще до входа в форкамеру вследствие негерметичности керамической горизонтальной перегородки между коллекторами газа и воздуха, что снижает стойкость перегородки;
- возможность незапрограммированной фильтрации газа и воздуха через вертикальную кладку форкамеры, обходя предусмотренные для прохода в форкамеру каналы, что снижает стойкость футеровки вертикальной стенки форкамеры.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков и достигаемому техническому результату, к заявляемой полезной модели, является известный воздухонагреватель доменной печи (см. патент RU №2316600 С2, МПК 6 С21В 9/00, F24H 3/00, опуб. в 10.02.2008 г.), содержащий кожух с куполом, оснащенный футеровкой, насадку, штуцер горячего дутья, форкамеру, расположенную в верхней части купола соосно с ним, оснащенную кожухом с футеровкой, выполненной независимо от футеровки купола, оснащенную внутренними коллекторами газа и воздуха, расположенными между кожухом и боковой стенкой футеровки форкамеры друг над другом с горизонтальной перегородкой между ними, которые сообщаются с подводящим газопроводом и воздухопроводом и со сквозными каналами подвода газа и воздуха, размещенными в вертикальной боковой стенке футеровки форкамеры рядами, причем каналы выполнены с возможностью подачи газа и воздуха непосредственно в форкамеру. Каналы нижнего коллектора расположены в верхней его части и направлены вверх от горизонтальной плоскости на угол 15÷30°. Каналы верхнего коллектора расположены в нижней его части и направлены вниз от горизонтальной плоскости на угол 15÷30°. Проекции осей всех каналов на горизонтальную плоскость образуют угол 15÷45° к проекциям на горизонтальную плоскость радиусов форкамеры, которые проходят сквозь центры выходных сечений каналов.
Недостатком такой конструкции воздухонагревателя является размещение двух кольцевых коллекторов прямоугольного сечения для газа и воздуха друг над другом в середине горелки (в кладке форкамеры), при этом стойкость горизонтальной перегородки между ними низкая. Это, а также негерметичность кладки форкамеры обуславливают негерметичность коллекторов газа и воздуха горения, возрастающую со временем эксплуатации.
Негерметичность перемычки между газовым и воздушным коллекторами, а также между элементами плотной кирпичной кладки горелки с неплотными стыками, заполненными огнеупорным мертелем, приводит к тому, что еще до входа в сопло горелки, а потом и после фильтрации через негазоплотную кладку горелки, газ частично перемешивается с воздухом горения не только согласно закону, заданному формой и расположением каналов для прохода компонентов горения, (тангенциально, радиально или по направлению вверх форкамеры), а и по случайному закону, хаотично, что снижает эффект закручивания газовых потоков, выходящих через сопло горелки, поскольку часть газовых сред попадает в форкамеру горелки неорганизованно через щели в кладке форкамеры. Это приводит к снижению интенсивности перемешивания компонентов горения, и соответственно, к снижению качества сжигания топлива.
Недостатком вышеупомянутого воздухонагревателя является также то, что каналы верхнего ряда по всему кругу форкамеры сообщаются только с газовым коллектором, а каналы нижнего ряда по всему кругу сообщаются только с воздушным коллектором, что образует два потока, которые двигаются послойно, и образуют по высоте форкамеры воздушную и газовую зоны. Это ухудшает условия перемешивания газа с воздухом.
В основу полезной модели поставлена задача усовершенствовать воздухонагреватель доменной печи путем ликвидации несанкционированного смешивания газа и воздуха еще до входа в форкамеру вследствие негерметичности керамической горизонтальной перегородки между коллекторами газа и воздуха, что снижает стойкость перегородки, и путем перераспределения потоков газа и воздуха за счет подачи газа и воздуха в форкамеру встречными потоками, что улучшает перемешивание газа с воздухом, обеспечивает полноту сжигания газа, повышает стойкость горелки и надежность воздухонагревателя в целом, а также снижает количество вредных выбросов в атмосферу. В полезной модели перегородка вообще отсутствует.
Поставленная задача решается тем, что в воздухонагревателе доменной печи, содержащем кожух воздухонагревателя с футеровкой, насадку, купол, штуцер горячего дутья, расположенный над насадкой, форкамеру, расположенную в верхней части купола соосно с ним и снабженную кожухом форкамеры с футеровкой форкамеры, выполненной независимо от футеровки купола с самостоятельной опорой на кожух купола, внутренние газовый и воздушный коллекторы, расположенные между футеровкой кожуха форкамеры, и вертикальной боковой стенкой футеровки форкамеры, снабженные выходными сквозными каналами, выполненными в вертикальной боковой стенке футеровки форкамеры рядами с возможностью подачи газа и воздуха непосредственно в форкамеру, согласно полезной модели, каждый коллектор выполнен в виде расположенных диаметрально друг против друга полых газового и воздушного полуколлекторов, снабженных общими вертикальными разделительными перегородками, и соединенных один с газовым патрубком, а второй с воздушным патрубком, при этом каждый полуколлектор содержит установленный по внешнему периметру вертикальной боковой стенки футеровки форкамеры, включая разделительные перегородки, газонепроницаемый кессон с отверстиями, совпадающими с отверстиями выходных сквозных каналов в вертикальной боковой стенке футеровки форкамеры
Кроме того, в воздухонагревателе доменной печи продольные оси сквозных каналов подвода газа и воздуха, размещенные в нижних рядах отверстий форкамеры, направлены под углом к радиусам форкамеры, проходящим через центры отверстий этих каналов на входе в форкамеру, причем часть этих каналов соединена с газовым полуколлектором, а часть - с воздушным полуколлектором, а продольные оси сквозных каналов подвода газа и воздуха, размещенные в верхних рядах отверстий и расположенные радиально друг против друга, совпадают с радиусами форкамеры, причем часть этих каналов также соединена с газовым полуколлектором, а часть - с воздушным полуколлектором.
Причинно-следственная связь между существенными признаками заявляемой полезной модели и достигаемым техническим результатом заключается в следующем.
Выполнение газового и воздушного коллекторов в виде полых полуколлекторов, соединенных с подводящими газовым и воздушным патрубками и оборудованных по кругу внешней футеровки форкамеры газонепроницаемым кессоном и расположенных между кожухом и боковой стенкой форкамеры, образующих два полуколлектора, один из которых соединен с подводящим газопроводом, а другой полуколлектор, расположенный диаметрально противоположно первому, соединен с подводящим воздухопроводом, обеспечивает организацию встречной подачи потоков газа и воздуха.
Размещение в футеровке форкамеры в верхнем ряду радиально попарно расположенных друг против друга сквозных каналов для газа и воздуха, проходящих через стену форкамеры, обеспечивает встречное движение газа и воздуха, т.е. обеспечивает интенсивное их перемешивание в верхней части форкамеры.
Размещение в футеровке форкамеры в нижнем ряду сквозных каналов подвода газа и воздуха, продольные оси которых направлены под углом к радиусам форкамеры, проходящим через центры отверстий этих каналов на входе в форкамеру, обеспечивает их закручивание, что приводит к подъему закрученной газо-воздушной дымовой смеси вверх, к куполу форкамеры, продлевая ее сгорание до входа в насадку.
На верхнем ярусе радиальные встречные потоки внедряются в воздушно-дымовой поток, который одновременно поднимается и вращается.
Такое взаимодействие потоков газа, воздуха и дымовых газов приводит к их интенсивному перемешиванию и сгоранию до входа в насадку.
Установка по периметру каждого из полуколлекторов - газового и воздушного со стороны внешней футеровки, включая разделительные вертикальные перегородки, газонепроницаемых кессонов с отверстиями, совпадающими с отверстиями на вертикальной внешней стене форкамеры, предотвращает фильтрацию воздуха и газа через вертикальную кладку форкамеры, обходящую предусмотренные для прохода в форкамеру каналы, что повышает стойкость футеровки вертикальной стенки фор камеры.
На фиг.1 представлен воздухонагреватель доменной печи, содержащий кожух воздухонагревателя 5 с футеровкой, насадку 12, купол 10, штуцер горячего дутья 19, расположенный над насадкой 12, форкамеру 7, расположенную в верхней части купола 10 соосно с ним, поднасадочное устройство 14, дымовой канал 15, боров 16, коллектор 17 холодного дутья, клапан холодного дутья 18.
Форкамера 7 имеет кожух форкамеры 8 с футеровкой форкамеры 13, выполненной независимо от футеровки купола 9 с самостоятельной опорой на кожух купола 11. Внутренние газовый 2 и воздушный 4 полуколлекторы расположены между футеровкой кожуха форкамеры 8 и вертикальной боковой стенкой 6 футеровки форкамеры 13 диаметрально друг против друга и имеют выходные сквозные каналы 22 и 23, выполненные в вертикальной боковой стенке 6 футеровки форкамеры 13 с возможностью подачи газа и воздуха непосредственно в форкамеру 7.
Полые газовый 2 и воздушный 4 полуколлекторы имеют общие вертикальные разделительные перегородки 20 и соединены один с газовым патрубком 1, а второй с воздушным патрубком 3, при этом каждый полу коллектор содержит установленный по его внутреннему периметру, включая разделительные перегородки 20, газонепроницаемый кессон 21 с отверстиями, совпадающими с отверстиями выходных сквозных каналов 22 и 23 в вертикальной боковой стенке 6 футеровки форкамеры 13.
Продольные оси сквозных каналов 22 подвода газа и воздуха, размещенные в нижних рядах отверстий форкамеры 7, направлены под углом к радиусам форкамеры, проходящим через центры отверстий этих каналов на входе в форкамеру, (далее - тангенциальные каналы), причем часть этих каналов соединена с газовым 2 полуколлектором, а часть - с воздушным 4 полуколлектором. Продольные оси сквозных каналов 23 подвода газа и воздуха, размещенные в верхних рядах отверстий, расположены радиально друг против друга (при этом их продольные оси совпадают с радиусами форкамеры, далее -радиальные каналы), причем часть этих каналов также соединена с газовым 2 полуколлектором, а часть с воздушным 4 полуколлектором.
Воздухонагреватель работает следующим образом: газ через газовый патрубок 1 подается в газовый полуколлектор 2, а воздух - через воздушный патрубок 3 в воздушный полу коллектор 4. Из газового полуколлетора 2 газ через сквозные тангенциальные каналы 22 и сквозные радиальные каналы 23, соединенные с последним и расположенные в вертикальной боковой стенке 6 футеровки форкамеры 13, попадает в форкамеру 7. Воздух поступает в форкамеру 7 через сквозные тангенциальные каналы 22 и сквозные радиальные каналы 23, соединенные с воздушным полуколлектором 4, расположенным вокруг вертикальной стены 6 форкамеры 7, где встречается с газом. Происходит возгорание газа. Продукты сгорания, закрученные сквозными тангенциальными каналами 22, соединенными с газовым поллуколлектором 2 и воздушным полуколлектором 4, всасывают продукты сгорания, которые возникли из газа коллектора 2 и воздуха коллектора 4, соединенных сквозными радиальными каналами 23. Потоки перемешиваются, поднимаясь к куполу форкамеры 7, после чего опускаются в сторону купола 10 воздухонагревателя, закручиваясь. Благодаря этому, а также диффузорной форме купола 10, обеспечивается равномерное распределение продуктов сгорания по горизонтальному сечению насадки 12. Для избегания фильтрации воздуха и газа через вертикальную боковую стенку 6 футеовки форкамеры 13 (не занятые каналами 22 и 23) коллекторы 2 и 4 оснащены газонепроницаемыми кессонами 21, имеющими отверстия, которые совпадают с отверстиями выходных сквозных каналов 22 и 23 в вертикальной боковой стенке 6 футеровки форкамеры 13. Отдав тепло насадке 12, продукты сгорания после прохода поднасадочного пространства 14 через дымовой канал 15 попадают в боров 16. В период дутья воздух подается из коллектора 17 через открытый клапан 18 в поднасадочное пространство 14, проходит насадку 12, нагревается и через штуцер горячего дутья 19 идет в тракт горячего дутья и далее в доменную печь. Таким образом, в воздухонагревателе доменной печи, который будет построен в соответствии с данным техническим решением, улучшится перемешивание газа с воздухом, обеспечится полнота сжигания газа, повысится стойкость горелки и надежность воздухонагревателя в целом, а также снизится количество вредных выбросов в атмосферу.