МОДУЛЬ ГОРЕЛКИ ДЛЯ СТАЛЕЛИТЕЙНЫХ УСТАНОВОК
BURNER MODULE FOR STEEL-CASTING UNITS

Введение
Данное изобретение относится к модулю горелки для сталелитейных установок. Более конкретно, данное изобретение относится к наружному модулю горелки регенеративного или рекуперативного теплового генератора. Регенеративным тепловым генератором может быть, например, воздухонагреватель горячего дутья доменной печи.
Предварительный нагрев воздуха для доменных печей обычно осуществляется в примыкающих регенеративных тепловых генераторах, известных как подогреватели дутья. Такие подогреватели обычно содержат камеру сгорания и удерживающую тепло шахту. В случае использования камеры внутреннего сгорания подогревателя, камера сгорания и удерживающая тепло шахта отделены друг от друга стенкой, выполненной из огнеупорных кирпичей. Обычно, модуль горелки расположен в нижней секции камеры сгорания. Воздух для горения и горючее топливо, обычно горючие газы, подаются в модуль горелки, и смесь воздуха для горения и топлива сжигается в камере сгорания подогревателя. Получаемые в результате сгорания топочные газы поднимаются в камере сгорания вверх и отводятся через купол воздухонагревателя, а затем проходят через заполненную насадочными кирпичами удерживающую тепло шахту. Тепло от топочных газов абсорбируется насадочными кирпичами. Топочные газы, которые теперь охладились, выходят из воздухонагревателя через камеру отработанных газов и по меньшей мере один выпускной канал.
Как только насадочные кирпичи будут нагреты до значительной температуры, подача воздуха для горения и топлива прекращается, и воздух вдувается через воздухонагреватель в противоположном направлении. Воздух нагревается во время прохождения через содержащую горячие насадочные кирпичи удерживающую тепло шахту и через купол направляется в камеру сгорания, где выходит из воздухонагревателя через выпускное отверстие горячего дутья в кожухе воздухонагревателя и подается в доменную печь.
Обычно, модуль горелки содержит керамическую горелку, расположенную внутри воздухонагревателя, то есть в нижней секции камеры сгорания. Также возможным является предусмотреть наружные модули горелки, которые установлены за пределами кожуха воздухонагревателя.
Вместо внутренней керамической горелки могут быть использованы один или несколько таких наружных модулей горелки. Альтернативно, такие наружные модули горелки могут быть использованы в качестве дополнительных нагревателей при их использовании в сочетании с внутренней керамической горелкой.
Преимуществом таких наружных модулей горелки является то, что они легкодоступны, например, для обслуживания или регулировки. Действительно, может являться предпочтительным регулировать модуль горелки для достижения разных температур или разных составов топочного газа. Это представляет особый интерес, если воздухонагреватель используют в экспериментальных целях.
Цель изобретения
Следовательно, целью данного изобретения является создание улучшенного модуля горелки для сталелитейных установок, прежде всего в сочетании с регенеративными или рекуперативными тепловыми генераторами. Эта цель достигнута посредством модуля горелки по п.1 формулы изобретения.
Общее описание изобретения
Для достижения этой цели данное изобретение предлагает модуль горелки для сталелитейных установок, прежде всего для использования в сочетании с регенеративным или рекуперативным тепловым генератором, в котором модуль горелки содержит зону смешивания, несколько каналов подачи топлива для подачи горючего топлива к зоне смешивания, и несколько каналов подачи воздуха для подачи воздуха для горения в зону смешивания. Модуль горелки содержит первичную горелку с кольцевым расположением подачи, содержащую чередующие по окружности каналы подачи топлива и каналы подачи воздуха, центральный канал, проходящий через кольцевое устройство подачи, и вторичную горелку, расположенную в центральном канале модуля горелки, при этом центральный канал расположен соосно кольцевому устройству подачи.
Первичная горелка может рассматриваться в качестве главной горелки, имеющей размеры для общей работы как обычная горелка. Вторичная горелка может рассматриваться в качестве вспомогательной горелки для выполнения дополнительных задач, таких как, например, нагрев модуля горелки до включения первичной горелки или усиление горения первичной горелки. Действительно, вторичная горелка может быть использована в качестве горелки дожигания для израсходования излишка горючего топлива или воздуха для горения из первичной горелки, изменяя тем самым состав выходящих из модуля горелки топочных газов. Принимая во внимание то, что в обычных модулях горелки одновременно может использоваться только один тип горючего топлива и один тип воздуха для горения, регулировка состава топочных газов может быть затруднена. Смешивание различных типов горючего топлива или воздуха для горения может осуществляться до подачи в модуль горелки. Однако, в общем случае это является обременительным и иногда опасным. За счет использования вторичной горелки данное изобретение позволяет смешивать разные типы горючего топлива или воздуха для горения внутри модуля горелки, то есть два разных типа горючего топлива или воздуха для горения могут быть поданы в зону смешивания, изменяя тем самым режимы горения и температуру и/или состав топочного газа. Поэтому модуль горелки согласно данному изобретению является намного более универсальным в отношении рабочих режимов, чем обычные модули горелок.
Модуль горелки также может быть использован для непосредственной подачи газов особого состава к сталелитейной установке, с которой она соединена.
2
Следует отметить, что каналы подачи воздуха могут также называться каналами подачи кислорода. Действительно, вместо воздуха для горения в зону смешивания по каналам подачи воздуха может подаваться кислород O.
Согласно изобретению модуль горелки далее содержит вспомогательные каналы подачи для подачи горючего топлива и/или воздуха для горения в зону смешивания, при этом вспомогательные каналы подачи имеют меньшее поперечное сечение, чем поперечное сечение каналов подачи топлива или каналов подачи воздуха.
Предпочтительно, вспомогательные каналы подачи содержат вспомогательные каналы подачи топлива для подачи горючего топлива в зону смешивания, при этом вспомогательные каналы подачи топлива имеют меньшее поперечное сечение, чем поперечное сечение каналов подачи топлива первичной горелки. Схожим образом, вспомогательные каналы подачи также могут также содержать вспомогательные каналы подачи воздуха, имеющие меньшее поперечное сечение, чем поперечное сечение каналов подачи воздуха первичной горелки. Предпочтительно, как вспомогательные каналы подачи топлива, так и вспомогательные каналы подачи воздуха являются каналами с низкой скоростью потока, тогда как каналы подачи топлива и каналы подачи воздуха предпочтительно являются каналами с высокой скоростью потока.
Вспомогательные каналы подачи позволяют осуществлять подачу дополнительного горючего топлива и/или воздуха для горения в зону смешивания, изменяя тем самым режимы горения первичной горелки.
Дополнительное горючее топливо или воздух для горения могут быть того же типа, что и подаваемое через основные каналы подачи топлива и воздуха, регулируя тем самым режимы горения первичной горелки. Однако, предпочтительно, если дополнительное топливо или воздух для горения имеют тип, отличный от подаваемого через основные каналы подачи топлива и воздуха, изменяя тем самым состав газов. Дополнительное горючее топливо или воздух для горения могут также обеспечивать первичную горелку нестехиометрической смесью, посредством чего в первичной горелке достигается только частичное сжигание смеси. Вторичная горелка может быть использована для завершения сжигания смеси.
Таким образом, вспомогательные каналы подачи способствуют эксплуатационной гибкости модуля горелки.
Горючее топливо, подаваемое по каналам подачи топлива, может быть доменным газом и/или воздух для горения, подаваемый по каналам подачи воздуха, может быть воздухом или низкокалорийным газом.
Горючее топливо, подаваемое по вспомогательным каналам подачи топлива, может быть высококалорийным газом, таким как природный газ или коксовый газ и/или воздух для горения, подаваемый по вспомогательным каналам подачи воздуха, может быть кислородом.
Предпочтительно, вторичная горелка содержит линии подачи воздуха и топлива, позволяя тем самым использовать вторичную горелку независимо от первичной горелки. Однако следует отметить, что не исключается оснащение вторичной горелки только одной из линий подачи воздуха и топлива. Действительно, вторичная горелка может быть использована в качестве горелки дожигания, получая воздух или топливо от топочных газов из первичной горелки.
В зависимости от используемого топлива вторичная горелка может быть горелкой любого подходящего типа. Такое топливо может быть выбрано из неполного списка, содержащего нефть, коксовый газ, доменный газ или природный газ.
Согласно одному варианту осуществления изобретения вспомогательные каналы подачи топлива и/или вспомогательные каналы подачи воздуха проходят через кольцевую стенку модуля горелки. Кольцевые камеры подачи могут быть расположены вокруг наружной стенки модуля горелки, при этом кольцевые каналы подачи расположены для подачи горючего топлива или воздуха для горения к вспомогательным каналам подачи топлива и вспомогательным каналам подачи воздуха.
Согласно другому варианту осуществления изобретения вспомогательные каналы подачи топлива и/или вспомогательные каналы подачи воздуха проходят через заднюю стенку модуля горелки, при этом вспомогательные каналы подачи топлива и/или вспомогательные каналы подачи воздуха расположены параллельно оси модуля горелки. Вспомогательные каналы подачи топлива и/или вспомогательные каналы подачи воздуха могут быть расположены между кольцевым устройством подачи первичной горелки и вторичной горелкой. Альтернативно, вспомогательные каналы подачи топлива и/или вспомогательные каналы подачи воздуха могут быть расположены внутри кольцевого устройства подачи первичной горелки.
Кольцевое устройство подачи образовано кольцевым каналом, содержащим несколько внутренних каналов, при этом внутренние каналы разделяют кольцевой канал на чередующиеся по окружности каналы подачи топлива и каналы подачи воздуха, при этом кольцевой канал подключен для транспортировки одного горючего топлива или воздуха для горения, а внутренние каналы используются для транспортировки другого горючего топлива или воздуха для горения. С помощью расположенных в кольцевом канале внутренних каналов может быть образовано газонепроницаемое разделение между каналами подачи топлива и каналами подачи воздуха, предотвращая тем самым любые утечки из одного канала в другой внутри кольцевого устройства подачи.
Предпочтительно, каналы подачи воздуха и каналы подачи топлива являются параллельными центральной оси модуля горелки. Однако не исключаются и другие конфигурации. Каналы подачи воздуха и топлива могут, например, быть закручены вокруг центральной оси, что может создавать завихрение горючего топлива и воздуха для горения при входе в зону смешивания. Хотя в целом это не является желательным, в некоторых случаях такое завихрение может быть предпочтительным. Следует отметить, что для достижения завихрения также могут использоваться и другие средства.
Следует отметить, что хотя данная заявка в основном описывает модуль горелки в сочетании с воздухонагревателем горячего дутья, модуль горелки также может использоваться в сочетании с другими сталелитейными установками, такими как, например, установки для впрыскивания угольной пыли (PCI) или рекуперативные теплообменники.
Краткое описание фигур
Данное изобретение будет более понятно из следующего описания, не ограничивающего варианта осуществления со ссылкой на приложенные чертежи. На этих чертежах идентичные ссылочные позиции использованы для обозначения идентичных или схожих элементов.
Фиг.1: разрез через модуль горелки согласно первому варианту осуществления данного изобретения,
Фиг.2: вид в частичном разрезе через модуль горелки вдоль линии А-А на фиг.1,
Фиг.3: разрез через модуль горелки согласно второму варианту осуществления данного изобретения, и
Фиг.4: вид в частичном разрезе через модуль горелки вдоль линии В-В на фиг.3.
Подробное описание фигур
На фиг.1 показан разрез через модуль 10 горелки согласно первому варианту осуществления данного изобретения. Модуль 10 горелки содержит переднюю секцию 12 с камерой 14 сгорания и заднюю секцию 16 с линиями для подачи горючего топлива и воздуха для горения в зону 18 смешивания камеры 14 сгорания. Передняя секция 12 содержит отверстие 20 для подачи топочных газов из модуля 10 горелки в сталелитейную установку, такую как, например, воздухонагреватель горячего дутья (не показан). Модуль 10 горелки соединен с воздухонагревателем горячего дутья посредством соединительного фланца 22. В передней секции 12 на внутреннюю поверхность 26 кольцевой стенки 28 нанесен огнеупорный материал 24 для защиты последней от вырабатываемого в камере 14 сгорания тепла.
Задняя секция 16, которая содержит питающие линии, более подробно описана со ссылкой как на фиг.1, так и на фиг.2, при этом последняя представляет собой вид в частичном разрезе вдоль линии А-А фиг.1. Задняя секция 16 содержит кольцевое устройство 30 подачи, поочередно содержащее каналы 32 подачи топлива и каналы 34 подачи воздуха. Каналы 32, 34 подачи топлива и воздуха расположены по окружности, в чередующемся порядке, предпочтительно равномерными секторами. Каналы 32 подачи топлива и каналы 34 подачи воздуха соответственно направляют горючее топливо и воздух для горения из отверстия 36 для впуска топлива и отверстия 38 для впуска воздуха в зону 18 смешивания камеры 14 сгорания. В зоне 18 смешивания горючее топливо и воздух для горения смешиваются, смесь воспламеняется и образуется первое горение, представленное факелами 40. Кольцевое устройство 30 подачи со своими каналами 32, 34 подачи топлива и воздуха образует первичную горелку 42 модуля 10 горелки.
Кольцевое устройство 30 подачи окружает центральный канал 44, который выполнен так, чтобы принимать вовнутрь вторичную горелку 46. Кольцевое устройство 30 подачи и центральный канал 44 соосны центральной оси 47 модуля 10 горелки. Центральный канал 44 облицован огнеупорным материалом 48. Вторичная горелка 46 подает горючее топливо и воздух для горения в зону 18 смешивания, где их смесь воспламеняется для образования второго горения, представленного факелом 50. Вторичная горелка 46 вставлена в модуль 10 горелки через гнездо 52 в задней стенке 54 модуля 10 горелки.
Конструкция кольцевого устройства 30 подачи первичной горелки 42 может быть описана более подробно со ссылкой на фиг.2. Кольцевое устройство 30 подачи образовано двумя соосными трубами - наружной трубой 56 и внутренней трубой 58, между которыми образован кольцевой канал 60. Внутри кольцевого канала 60 посредством ввода трубообразных элементов 62, соединенных с внутренней трубой 58, образовано несколько внутренних каналов 61. Трубообразные элементы 62 образуют газонепроницаемую разделительную стенку между внутренними каналами 61 и кольцевым каналом 60, образуя тем самым каналы 32 подачи топлива и каналы 34 подачи воздуха.
Для подачи другого горючего топлива и подачи другого воздуха для горения в зону 18 смешивания могут быть предусмотрены вспомогательные каналы 64 подачи топлива и вспомогательные каналы 66 подачи воздуха. Несмотря на то, что на фиг.1 показаны как вспомогательные каналы 64 подачи топлива, так и вспомогательные каналы 66 подачи воздуха, следует отметить, что также возможно создать модуль 10 горелки только с одним из этих дополнительных каналов 64, 66.
Вспомогательные каналы 64 подачи топлива расположены так, чтобы подавать другое топливо из кольцевой камеры 68 подачи топлива, соединенной с впускным отверстием 70 для подачи топлива, через кольцевую стенку 28 модуля 10 горелки в зону 18 смешивания. Схожим образом, вспомогательные каналы 66 для подачи воздуха расположены так, чтобы подавать другой воздух для горения из кольцевой камеры 72 подачи воздуха, соединенной с впускным отверстием 74 для подачи воздуха, через кольцевую стенку 28 модуля 10 горелки в зону 18 смешивания.
Вспомогательные каналы 64, 66 подачи топлива и воздуха являются каналами с низкой скоростью потока, которые расположены так, чтобы подавать высококалорийный газ, такой как природный или коксовый газ или кислород в зону 18 смешивания, изменяя тем самым режимы горения первичной горелки 42. Подаваемые в зону 18 смешивания другое топливо и/или воздух могут быть в таких количествах, что смесь в зоне 18 смешивания является нестехиометрической, достигая тем самым только частичного сгорания в первичной горелке 42. Последующее сгорание топочных газов из первого сгорания может затем достигаться с помощью вторичной горелки 46.
На фиг.3 и фиг.4 показан модуль 10 горелки согласно второму варианту осуществления изобретения, при этом фиг.4 представляет собой вид в частичном разрезе вдоль линии В-В фиг.3. Этот модуль горелки очень схож с модулем горелки, показанным на фиг.1 и 2, и поэтому не будет описан здесь подробно. Одни и те же ссылочные позиции относятся к идентичным признакам в обоих вариантах осуществления. Модуль горелки фиг.2 и 3 отличается от первого варианта осуществления расположением вспомогательных каналов подачи.
Вспомогательный канал 76 подачи воздуха расположен между каналами 32 подачи топлива и каналами 34 подачи воздуха кольцевого устройства 30 подачи и огнеупорным материалом 48 центрального канала 44. На одном конце вспомогательный канал 76 подачи воздуха соединен с впускным отверстием 78 подачи воздуха, расположенным в задней стенке 54 модуля 10 горелки, на противоположном конце вспомогательный канал 76 подачи воздуха содержит отверстие 80, выходящее в зону 18 смешивания модуля 10 горелки.
Несмотря на то, что на фиг.3 показан только вспомогательный канал 76 подачи воздуха, следует отметить, что также возможно схожим образом оснастить модуль 10 горелки вспомогательным каналом подачи топлива.
Во время обычной работы модуля 10 горелки горючее топливо и воздух для горения, как правило, подаются через каналы 32 подачи топлива и каналы 34 подачи воздуха для образования горючей смеси в зоне 18 смешивания. Топочные газы от горения этой горючей смеси, осуществляемого первичной горелкой 42, затем подаются через отверстие 20 в воздухонагреватель горячего дутья.
Вспомогательные каналы 64, 66 подачи топлива и воздуха позволяют вводить дополнительное горючее топливо и воздух для горения в зону 18 смешивания, создавая тем самым горючую смесь, потенциально содержащую два отличных друг от друг типа горючего топлива и два отличных друг от друга типа воздуха для горения. Поэтому состав топочного газа может изменяться без использования потенциально опасной смеси выше по потоку от модуля 10 горелки.
Вторичная горелка не только позволяет сжигать любой излишний компонент в топочных газах из первичной горелки, но также позволяет нагревать модуль горелки и любое оборудование ниже по потоку до включения первичной горелки.
Для регулировки температуры, скорости потока или состава подаваемых в воздухонагреватель горячего дутья топочных газов за счет новаторской конструкции данного модуля горелки являются доступными многочисленные комбинации горелок и горючих средств.
2
2
Следует отметить, что в контексте данного изобретения выражения «высокая скорость потока» и «низкая скорость потока» каналов подачи топлива и воздуха и вспомогательных каналов подачи топлива и воздуха соотносятся друг с другом. Скорость потока или размер сечения каналов подачи будет строго зависеть от используемых горючих средств. Исключительно в целях примера рассмотрим высокую скорость потока: каналы 32, 34 подачи топлива и воздуха могут иметь поперечное сечение приблизительно 1500 см, и рассмотрим низкую скорость потока: вспомогательные каналы 64, 66 подачи топлива и воздуха могут иметь сечения приблизительно 200 см.
Неполный список примеров для режимов работы модуля горелки согласно данному изобретению показан в таблице 1.
Рабочий режим
Воздух для горения
Горючее топливо
Другой воздух для горения
Другое горючее топливо
Вторичная горелка
Обычная работа нагревателя горячего дутья
Воздух
Доменный газ
-
Коксовый газ
-
Обычная работа нагревателя горячего дутья
Воздух
Доменный газ
-
-
Горелка дожигания<sup>1</sup>
Операция подогрева нагревателя горячего дутья
-
-
-
-
Нагревательная горелка<sup>2</sup>
Операция поддержания температуры нагревателя горячего дутья
Воздух
-
-
Природный  газ
-
Операция поддержания температуры нагревателя горячего дутья
Воздух
-
-
-
Горелка<sup>3</sup> поддержания температуры
Свободный режим работы нагревателя горячего дутья №2
-
Доменный газ
Кислород
-
-
Свободный режим работы нагревателя горячего дутья №2
Топочный газ
Доменный газ
Кислород
Природный газ
Горелка дожигания<sup>4</sup>
<sup>1</sup> Горелка дожигания, использующая коксовый газ и топочный газ от первичной горелки
<sup>2</sup> Нагревательная горелка, использующая коксовый газ и воздух
<sup>3</sup> Горелка поддержания температуры, использующая нефть и воздух
<sup>4</sup> Горелка дожигания, использующая доменный газ и топочный газ от первичной горелки
СПИСОК ССЫЛОЧНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
10 Модуль горелки
12 Передняя секция
14 Камера сгорания
16 Задняя секция
18 Зона смешивания
20 Отверстие
22 Соединительный фланец
24 Огнеупорный материал
26 Внутренняя поверхность
28 Кольцевая стенка
30 Кольцевое устройство подачи
32 Каналы подачи топлива
34 Каналы подачи воздуха
36 Впускное отверстие подачи топлива
38 Впускное отверстие подачи воздуха
40 Факелы
42 Первичная горелка
44 Центральный канал
46 Вторичная горелка
50 Факел
52 Гнездо
54 Задняя стенка
56 Наружная труба
58 Внутренняя труба
60 Кольцевой канал
61 Внутренние каналы
62 Трубообразные элементы
64 Вспомогательные каналы подачи топлива
66 Вспомогательные каналы подачи воздуха
68 Кольцевая камера подачи топлива
70 Впускное отверстие подачи топлива
72 Кольцевая камера подачи воздуха
74 Впускное отверстие подачи воздуха
76 Вспомогательный канал подачи воздуха
78 Впускное отверстие подачи воздуха
80 Отверстие