ГОРЕЛКА ТРУБЧАТО-ЩЕЛЕВАЯ НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ С РАСШИРЕННЫМ ДИАПАЗОНОМ РЕГУЛИРОВАНИЯ ДЛЯ СЖИГАНИЯ ВТОРИЧНЫХ ГАЗОВ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО ЦИКЛА
LOW-PRESSURE TUBULAR-SLOTTED BURNER WITH EXPANDED CONTROL RANGE FOR SECONDARY METALLURGICAL CYCLE GASES COMBUSTION

Изобретение относится к энергетике, может быть использовано в черной металлургии для утилизации (сжигания) вторичных газов металлургического цикла при подготовке концентратов методом агломерации, а именно в горнах агломерационных машин конвейерного типа.
Известна горелка, обеспечивающая сжигание смеси коксового и доменного газов в горнах агломерационных машин, оборудованных подвесными сводами, содержащая прямоугольный короб, в котором вертикально по его оси установлена сквозная труба для подвода газа с наружным патрубком. Труба соединена с газоподводящей камерой, оканчивающейся прямоугольным щелевым соплом. Снизу газовое сопло имеет газораспределительную решетку, в которой просверлены три продольных ряда сквозных отверстий, один из которых проходит по центральной оси решетки, а два крайних ряда с шагом между ними в  ширины газораспределительной решетки снабжены газовыпускными трубками, установленными под углом 30° к оси горелки (патент РФ №2070687, МПК F23D 14/00, опубл. 20.12.1996 г.). Конструкция данных устройств обеспечивает равномерное истечение однородной газовоздушной смеси, однако для достижения качественного смешения требуется высокое давление потоков, эффективность достигается при давлении газа и воздуха перед газогорелочными устройствами не ниже 500 мм вод. ст.
Наиболее близким к заявленному изобретению является многоструйная трубчато-щелевая горелка, используемая при сжигании коксодоменной смеси в горнах агломерационных и обжиговых машин для равномерного зажигания и нагрева шихты по всей ширине аглоленты. Горелка состоит из прямоугольного щелевидного корпуса, сверху которого по центру имеется патрубок для подвода вторичного воздуха, внутри размещены два трубчатых коллектора, один в другом соосно корпусу, один из которых (внутренний) является газовым и снабжен двумя газоподводящими патрубками и газовыпускными соплами, располагаемыми в нижней части коллектора продольными рядами, другой (внешний) является воздушным и снабжен двумя патрубками для подвода первичного воздуха и радиально направленными отверстиями, сгруппированными в продольные ряды как между рядами газовыпускных сопел и вокруг их крайних рядов, так и соосно с ними в промежутках между газовыпускными соплами. Газовыпускные сопла располагаются не менее чем двумя продольными рядами на всю длину газового коллектора и радиально направленными к его центральной оси с углом раскрытия между собой не менее 15° и не более 90°С. Для изменения направления истечения пограничных с боковыми стенками корпуса слоев потока вторичного воздуха к центру горелки по боковым стенкам внутри корпуса установлены воздухоотбойники из уголка на всю длину стенок и на уровне, ограниченном в пределе между нижними образующимися газового и воздушного коллекторов. Для подачи газа и воздуха в газовый и соответственно воздушный коллектора предусмотрены по два подводящих сверху патрубка, располагаемых симметрично относительно центральной оси горелки (патент РФ 2068152, МПК 6 F23D 14/00, опубл. 20.10.1996 г. - прототип).
Данная конструкция имеет ряд недостатков. Одним из них можно считать установку одного патрубка для подвода вторичного воздуха в корпусе горелки. Подвод осуществлен по центру корпуса, при этом наибольшая часть вторичного воздуха попадает в центр рабочего пространства горна. Вместе с этим, подводящие патрубки для подачи газа и первичного воздуха соответственно в газовый трубчатый коллектор и воздушный трубчатый коллектор, расположены ближе к торцевым стенкам горелки, поэтому в данной зоне рабочего пространства горна локализуется наиболее интенсивное горение, наблюдается максимальный выход продуктов горения на единицу площади зажигания. Таким образом, вышеуказанные конструктивные особенности приводят к неоднозначному коэффициенту расхода воздуха на горение по длине горелки, к неодинаковой теплоотдаче от факела на поверхность аглослоя по ширине горна, к возникновению значительного температурного перепада, вследствие чего образуется явление подстуживания слоя в центре, перегрев слоя по сторонам горна. Кроме этого, количество патрубков для подвода газа и воздуха недостаточно для обеспечения равномерного давления газового и воздушного потоков в соответствующих коллекторах, а значит и одинаковой скорости истечения газа и воздуха соответственно из газовых и воздушных сопел горелки, что нарушает эффективность процесса смесеобразования.
Другим недостатком в конструкции многоструйной трубчато-щелевой горелки является установка внутри щелеобразного корпуса воздухоотбойников из уголка на всю длину боковых стенок для изменения направления истечения пограничных с боковыми стенками корпуса слоев потока вторичного воздуха к центру горелки. Такая конструкция предполагает повышенное давление воздуха перед горелочным устройством для турбулизации воздушного потока, интенсификации процесса смесеобразования. При снижении тепловой мощности горелки относительно номинальной в пределах регулирования, а значит и снижении расхода и давления воздуха, щелеобразный корпус горелки оказывается подвержен воздействию излучения пламени факела, особенно по нижним образующим, что приводит к его преждевременному термическому износу, короблению, к снижению равномерности температурного поля газовой атмосферы по ширине горна.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение эксплуатационной надежность горелки, расширение диапазонов регулирования по коэффициенту расхода воздуха и по тепловой мощности за счет стабилизации сжигания вторичных газов металлургического цикла при снижении давления топлива и окислителя, обеспечение сплошности теплового потока продуктов сгорания для создания равномерного температурного поля газовой атмосферы по всей ширине горна, ровный и устойчивый нагрев верхнего слоя шихты, надежный процесс агломерации.
Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемой трубчато-щелевая горелке низкого давления с расширенным диапазоном регулирования для сжигания вторичных газов металлургического цикла, содержащей снабженный патрубками подвода вторичного воздуха прямоугольный корпус, внутри которого размещен трубчатый газовый коллектор с газоподводящими патрубками и газовыпускными соплами, расположенными снизу продольными рядами и радиально направленными к его центральной оси, и расположенный вокруг него и соосно ему трубчатый воздушный коллектор с патрубками подвода первичного воздуха и воздуховыпускными соплами, установленными снизу продольными рядами и радиально направленными к его центральной оси, расположенными вокруг газовыпускных сопел и соосно с ними согласно изобретению патрубки подвода вторичного воздуха установлены в количестве не менее чем один патрубок на каждый метр длины корпуса горелки, газоподводящие патрубки и патрубки подвода первичного воздуха установлены в количестве не менее чем один патрубок на каждый метр длины газового и воздушного коллекторов соответственно, а газовыпускные и воздуховыпускные сопла расположены снизу по меньшей мере тремя продольными рядами с углом раскрытия между собой 30°≤α≤45°.
Кроме того, газоподводящие патрубки и патрубки подвода первичного воздуха расположены один в другом и соосно относительно друг друга. Боковые стенки корпуса горелки имеют сплошную структуру, с внутренней стороны боковых стенок по их нижней образующей установлены фиксаторы, при этом нижняя кромка корпуса горелки расположена ниже горизонтальной оси газового и воздушного коллекторов на величину, не превышающую расстояние от поверхности воздушного коллектора до нижнего среза воздуховыпускного сопла.
Изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 показана трубчато-щелевая горелка в разрезе.
Горелка состоит из прямоугольного корпуса 1, в крышке которого размещены патрубки подвода вторичного воздуха 2, в количестве не менее чем один патрубок на каждый метр длины корпуса горелки, внутри корпуса 1 установлен газовый коллектор 3 с газоподводящими патрубками 4 в количестве, не менее чем один патрубок на каждый метр длины газового коллектора 3, и газовыпускными соплами 5, расположенными снизу по меньшей мере тремя продольными рядами и радиально направленными к его центральной оси с углом раскрытия между собой 30°≤α≤45°, и расположенный вокруг него и соосно ему воздушный коллектор 6 с патрубками подвода первичного воздуха 7 в количестве, не менее чем один патрубок на каждый метр длины воздушного коллектора 6, и воздуховыпускными соплами 8, установленными снизу по меньшей мере тремя продольными рядами и радиально направленными к его центральной оси, расположенными вокруг газовыпускных сопел 5 и соосно с ними с углом раскрытия между собой 30°≤α≤45°. Боковые стенки корпуса горелки имеет сплошную структуру, с внутренней стороны боковых стенок по их нижней образующей установлены фиксаторы 9, при этом нижняя кромка корпуса горелки 1 расположена ниже горизонтальной оси газового коллектора 3 и соосно с ним воздушного коллектора 6 на величину Н, не превышающую расстояние h от поверхности воздушного коллектора 6 до нижнего среза воздуховыпускного сопла 8.
Предлагаемая трубчато-щелевая горелка низкого давления с расширенным диапазоном регулирования для сжигания вторичных газов металлургического цикла в горнах агломерационных машин работает следующим образом.
Подача газа в газовый коллектор 3 осуществляется равномерно с помощью газоподводящих патрубков 4, откуда через газовыпускные сопла 5 поступает в нижнюю часть корпуса горелки. Подвод первичного воздуха в воздушный коллектор 6 осуществляется равномерно по длине коллектора с помощью патрубков подвода первичного воздуха 7, откуда через воздуховыпускные сопла 8 поступает в нижнюю часть корпуса горелки. Подвод газа в газовый коллектор 3 и подвод первичного воздуха в воздушный коллектор 6 осуществляется совмещенно путем установки коаксиально газоподводящих патрубков 4 в патрубках подвода первичного воздуха 7. Патрубки размещаются по длине горелки в количестве не менее чем один патрубок на каждый метр длины газового и воздушного коллекторов соответственно. Подвод топлива и первичного воздуха соответственно к газовому коллектору 3 и воздушному коллектору 6 через размещенные таким образом газоподводящие патрубки 4 и патрубки подвода первичного воздуха 7 создает наиболее благоприятные условия для равномерного аэродинамического распределения давлений потоков газа и воздуха по длине соответственно газового коллектора 3 и воздушного коллектора 6 горелки, пики давлений потоков топлива и первичного воздуха при входе в коллектора сглаживаются, достигается наилучшая равномерность потоков по длине горелки, формирующая одинаковое поле скоростей истечения газа и воздуха из расположенных в нижней части горелки газовыпускных 5 и воздуховыпускных 8 сопел. При снижении количества газоподводящих патрубков 4 и патрубков подвода первичного воздуха 7 нарушается качество смесеобразования и сжигания газообразного топлива.
Газовыпускные сопла 5 расположены в нижней части газового коллектора 3 по меньшей мере тремя продольными рядами и радиально направленными к его центральной оси с углом раскрытия между собой 30°≤α≤45°, вокруг газовыпускных сопел и соосно с ними расположены воздуховыпускные сопла 8, установленные в нижней части воздушного коллектора 6 по меньшей мере тремя продольными рядами и радиально направленными к его центральной оси с углом раскрытия между собой 30°≤α≤45° для повышения плотности и равномерности теплового потока продуктов сгорания, поступающих к поверхности аглоспека в единицу времени. При увеличении суммарной площади выходных отверстий потоков газа и воздуха и равном значении давления потоков на входе в горелку повышается ее пропускная способность, количество выделяемого тепла на единицу площади зажигания, что позволяет использовать топливо с меньшим давлением на входе в горелку с сохранением интенсивности зажигания, увеличить пределы регулирования горелки по тепловой мощности за счет расширения нижней границы диапазона регулирования тепловой мощности горелки.
На выходе из газовыпускных и воздуховыпускных сопел горелки в нижней части корпуса горелки происходит смешение потоков топлива и первичного воздуха, процесс смесеобразования сопровождается подмешиванием вторичного воздуха, поступающего из патрубков подвода вторичного воздуха 2, равномерно распределенных по длине корпуса горелки 1 в количестве не менее чем один патрубок на каждый метр длины корпуса горелки, тем самым создавая постоянный по длине горелки избыток воздуха для обеспечения в рабочем пространстве зажигательного горна достаточного количества свободного кислорода на горение твердого топлива в слое аглоспека. Вторичный воздух, свободно обтекая воздушный коллектор 6 через зазор, обустроенный за счет установки фиксаторов 9 в нижней части корпуса горелки, эжектируется скоростными потоками топлива и первичного воздуха, образованная таким образом газо-воздушная смесь воспламеняется на выходе из устья трубчато-щелевой горелки. Нижняя кромка корпуса горелки расположена ниже горизонтальной оси газового и воздушного коллекторов на величину, не превышающую расстояние от поверхности воздушного коллектора до нижнего среза воздуховыпускного сопла для создания оптимальной зоны смешения и воспламенения топливовоздушной смеси при условии снижения воздействия лучистой составляющей пламени факела на поверхность корпуса горелки.
Кроме того, фиксаторы 9, установленные с внутренней стороны боковых стенок корпуса по их нижней образующей, создают оптимальное проходное сечение потоку вторичного воздуха с преимуществом минимального сопротивления, таким образом повышая эффективность охлаждения корпуса горелки и создавая условия для расширения диапазона регулирования горелки по коэффициенту избытка воздуха.
Предлагаемая, согласно изобретению, конструкция горелки используется в агломерационном цехе ПАО «Северсталь». В настоящее время в зажигательном горне агломерационной машины типа К-3-75 установлены две трубчато-щелевых горелки низкого давления с расширенным диапазоном регулирования для сжигания вторичных газов металлургического цикла предлагаемой конструкции. Конкретный пример исполнения заявленной горелки:
количество подводов вторичного воздуха - один на каждые 0,7 метра длины корпуса горелки;
количество подводов газа - один на каждые 0,9 метра длины газового коллектора;
количество подводов первичного воздуха - один на каждые 0,9 метра длины воздушного коллектора;
газовыпускные и воздуховыпускные сопла расположены снизу тремя продольными рядами с углом раскрытия между собой α=30°;
расстояние от горизонтальной оси газового коллектора и соосно с ней воздушного коллектора до нижней кромки корпуса горелки Н=25 мм;
расстояние от поверхности воздушного коллектора до нижнего среза воздуховыпускного сопла h=26 мм;
фиксаторы, 6 штук.
В результате использования трубчато-щелевой горелки низкого давления с расширенным диапазоном регулирования для сжигания вторичных газов металлургического цикла предлагаемой конструкции, за счет создания условий стабильного сжигания вторичного газа при снижении давления газовоздушных потоков на входе в горелку, достигнуто повышение общего температурного уровня рабочего пространства горна на 60°С, снижен перепад температуры по ширине зажигательного горна на 95°С, при этом экономия газообразного топлива в зажигательном горне агломерационной машины составила 6%, объем выхода годного продукта увеличен на 4,7%. Кроме этого, использование горелки предлагаемой конструкции позволяет обеспечить эксплуатационную надежность горелок и продлить рабочий ресурс.
Таким образом, предложенное изобретение позволяет повысить эксплуатационную надежность горелок, обеспечить сплошность теплового потока продуктов сгорания для создания равномерного температурного поля газовой атмосферы по всей ширине горна, обеспечить стабильное качество сжигания вторичных газов низкого давления в расширенном по нижней границе диапазоне регулирования тепловой мощности и коэффициента избытка воздуха, что особенно ценно при сжигании вторичного топлива металлургического цикла, с обеспечением повышенной доли свободного кислорода в рабочем пространстве зажигательного горна для активного горения твердого топлива в верхнем слое аглоспека, создания условий для ровного и устойчивого процесса зажигания и повышения надежности процесса агломерации.