СПОСОБ СВЕРХЗВУКОВОГО ВДУВАНИЯ КИСЛОРОДА В ПЕЧЬ
PROCEDURE FOR SUPERSONIC OXYGEN BLOW INTO FURNACE

Объектом настоящего изобретения является способ сверхзвукового вдувания кислорода в плавильную печь, в частности вертикальную печь, в которую сверху загружают шихтовый материал, такой как кокс и скрап, и в которой сжигание горючих материалов производят посредством вдувания воздуха, в частности, предварительно нагретого, который реагирует с коксом, при этом горение обеспечивают при помощи горелок для подогрева. Эти печи являются, в частности, печами типа вагранок, которые содержат тороидальное кольцо, установленное у основания вагранки, в которую вдувают воздух, предварительно нагретый за счет теплообмена с газообразными продуктами горения через множество фурм, выполненных в этом тороидальном кольце.
Для улучшения работы печей типа вагранок или для повышения их производительности известно вдувание кислорода при помощи сверхзвуковых сопел, установленных в центре каждой фурмы. Одним из преимуществ этой технологии является поступление кислорода в центральную часть вагранки за счет высокой скорости вдувания кислорода.
5
Вместе с тем, в случае низкого расхода кислорода давление кислорода в соплах снижается и, в результате, снижается скорость кислорода, нагнетаемого в шахту (скорость становится дозвуковой), и проникновение кислорода в центр шахты уменьшается по сравнению с высоким расходом кислорода (с входным давлением порядка 8-10×10 паскаль в случае вагранки).
5
5
Для обеспечения высокой скорости кислорода, как правило, размеры сопел рассчитывают для рабочего давления примерно 9×10паскаль (на входе сходящегося/расходящегося устройства, содержащего насадку для сверхзвукового вдувания, установленную на конце сопла). Однако это давление можно получить только при номинальном значении расхода для установки: оно составляет только 4,5×10 паскаль при работе на 60% от номинала.
Для решения этой проблемы было предложено задействовать все сопла поочередно либо чередуя режимы «работы» и «остановки», либо чередуя «низкий расход» с «высоким расходом». В этих двух случаях максимальный расход получают при рабочем давлении сопел. Таким образом, работу сопел ограничивают низким давлением, что приводит к низкой скорости вдувания кислорода.
Однако эти технологии имеют следующие недостатки:
- сложность применения (стоимость установки),
- снижение надежности электрических клапанов, которые осуществляют через очень большое число циклов открывания/закрывания,
- трудность учета среднего расхода, что затрудняет сравнение этих технологий по отношению к стабильному расходу,
- не непрерывное, а ступенчатое регулирование общего расхода.
Альтернативный вариант состоит в том, чтобы задействовать число сопел, возрастающее в зависимости от расхода, чтобы по мере возможности поддерживать максимально стабильное давление в соплах. Таким образом, избегают снижения рабочего давления, когда расход кислорода является низким.
Вместе с тем, как правило, существует асимметрия вдувания кислорода, которая мешает нормальной работе вагранки.
Во всех случаях описанные выше решения требуют применения дополнительной автоматики.
В уровне техники известно также решение US 5946340, в котором раскрыт способ сверхзвукового вдувания окислителя, в частности, кислорода, в печь, в котором общее количество кислорода, необходимого для работы печи, вдувают при помощи двух разных контуров: первого контура, содержащего, по меньшей мере, одно сопло сверхзвукового вдувания кислорода, и второго контура, содержащего средства дополнительного вдувания кислорода.
Способ и устройство в соответствии с настоящим изобретением позволяют устранить недостатки предшествующего уровня техники. Способ в соответствии с настоящим изобретением отличается тем, что общее количество кислорода, необходимого для работы печи, вдувают при помощи двух разных контуров:
- первого контура, содержащего, по меньшей мере, одно сопло для сверхзвукового вдувания кислорода;
- второго контура, содержащего средства дополнительного вдувания кислорода, при этом второй контур соединен с первым контуром при помощи средств, чувствительных к давлению, таких как разгрузочное устройство (или, в целом, средства регулирования входного давления), таким образом, чтобы получить стабильное давление кислорода в первом контуре, как только в нем достигается максимальный расход.
В первом контуре внутри каждой фурмы устанавливают сверхзвуковое сопло, размеры которого рассчитаны для работы при оптимальном давлении, обеспечивающем максимальную скорость кислорода (то есть 9 бар для скорости примерно 2,1 маха), причем это давление достигается для части общего максимального расхода.
Во втором контуре вдувают дополнительный кислород для получения общего расхода. Этот второй контур обеспечивает вдувание кислорода в шахту во второй точке вдувания, отличной от точки вдувания через сверхзвуковые сопла. Скорость вдувания в этом втором контуре будет ниже, но время использования этого второго контура будет небольшим по сравнению со временем использования первого контура.
Предпочтительно, этот второй контур напрямую «подключают» к первому контуру через разгрузочное устройство (или регулятор давления, установленный на входе сверхзвукового сопла).
Таким образом, давление в первом контуре будет стабильным, как только в первом контуре будет достигнут максимальный расход.
Предпочтительно, размеры первого контура рассчитывают таким образом, чтобы получить сверхзвуковую скорость вдувания кислорода, как только достигается часть максимального общего расхода, например, 60% по объему. Согласно варианту выполнения способ в соответствии с настоящим изобретением отличается тем, что кислород из второго контура вдувается в воздушный поток вагранки или концентрично вокруг сверхзвуковой кислородной струи, или непосредственно, по меньшей мере, в одну из фурм вдувания воздуха, предпочтительно на дозвуковой скорости.
Объектом настоящего изобретения является также устройство для применения этого способа, отличающееся тем, что содержит средства вдувания кислорода с максимальным расходом, первый контур, содержащий, по меньшей мере, одно сопло для сверхзвукового вдувания кислорода, второй контур дополнительного вдувания кислорода, при этом первый и второй контуры соединены со средствами вдувания кислорода, при этом между средствами вдувания кислорода первого контура и второго контура установлены средства, чувствительные к давлению, такие как разгрузочное устройство (или регулятор входного давления).
Предпочтительно, первый контур содержит несколько групп, состоящих, по меньшей мере, из одного сопла нагнетания окислителя, при этом каждая группа сопел активируется последовательно, чтобы поддерживать сверхзвуковое вдувание окислителя в первом контуре во время увеличения расхода окислителя в первом контуре.
Настоящее изобретение будет более очевидно из нижеследующего описания неограничительных примеров выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг.1 - схема вагранки и ее системы питания окислителем (горячий воздух) по предшествующему уровню техники.
Фиг.2 - принципиальная схема вдувания окислителя в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг.3 - кривые расхода окислителя в различных контурах.
Фиг.4 - пример выполнения, показанный на фиг.2.
Фиг.5 - схематичный вид в разрезе фурмы для вдувания окислителя и системы сверхзвукового вдувания кислорода.
Фиг.6 - кривые расхода окислителя в многофурменной системе, работающей ступенчато.
На фиг.1 показана схема вагранки 1 по предшествующему уровню техники. Металлический шихтовый материал 5, кокс 4 и подобное загружают через загрузочное отверстие 2 (последовательными слоями) в верхней части этой вагранки. Вблизи от верха находится контур 3 отвода горячих газов.
В воздушный кожух 6 через линию 7 подают предварительно нагретый воздух, находящийся в контакте с дымами, выходящими из контура 3, при этом воздух распределяется через трубопроводы, такие как 18, с множеством фурм, таких как 8 и 9, в нижней части шахтной печи. Расплавленный металл проходит в 11, затем 12, тогда как шлак собирается в 10.
На фиг.2 показана принципиальная схема системы в соответствии с настоящим изобретением. Общий расход 21 кислорода регулируется средствами 22 регулирования расхода таким образом, чтобы получить степень обогащения кислородом Х% (по объему) горячего воздуха для вагранки. Первый контур (26) соответствует контуру сверхзвукового вдувания кислорода. Второй контур (27) соответствует контуру дополнительного расхода кислорода с низкой скоростью.
5
На выходе точки 28 находится первый контур 26 вдувания кислорода 24: контур 1 питается кислородом, максимальное давление 9×10 паскаль достигается при максимальном расходе Q1 в зависимости от диаметра сверхзвуковых сопел, установленных на конце фурм. (Q1 = расход каждого сопла × n сопел.)
На схеме показан также второй контур 27, соединенный с общей точкой 28 при помощи разгрузочного устройства (например, для входного давления 9 бар) и трубопровода 25.
Этот второй контур позволяет дополнить расход кислорода, необходимый для работы вагранки, сверх расхода Q1.
В примере, показанном на фиг.2, через контур 26 осуществляют вдувание окислителя через сверхзвуковые сопла. Их размеры рассчитаны для работы при оптимальном давлении, обеспечивающем максимальную скорость кислорода (то есть 9 бар при скорости примерно 2,1 маха).
3
На фиг.3 показано распределение расходов между первым контуром (сверхзвуковым) и вторым контуром (дополнительным), а также изменение давления в сверхзвуковых соплах. Давление 9 бар достигается при достижении расхода 360 н.м/час (расход, определяемый выбором размера сверхзвукового сопла).
Печь типа вагранки на горячем воздухе работает в оптимальном режиме, когда производство и параметры работы являются стабильными. Таким образом, стабилизируется потребление кислорода.
Расход кислорода можно временно увеличить во время повторного запуска или во время точечного увеличения производства, как правило, на очень короткие периоды.
В системе сверхзвуковых сопел непрерывной работы размеры сопел рассчитывают для максимального расхода. В общем случае стабилизированной работы скорость кислорода намного меньше, чем достигаемая при помощи сверхзвуковой системы. (В тексте всего описания, за исключением особых случаев, термин «кислород» обозначает окислитель в целом, то есть обычно газ, содержащий, по меньшей мере, 21% по объему кислорода и до 100% чистого кислорода.)
В системе в соответствии с настоящим изобретением скорость вдуваемого кислорода становится сверхзвуковой сразу после достижения большей части расхода (например, 60% от максимального расхода). Сверх этого расхода дополнительный кислород отводится во второй контур вдувания, причем этом второй контур используют только в течение переходного периода: более низкая скорость и, следовательно, меньшая эффективность этой части расхода кислорода становится несущественной по сравнению с преимуществом возможности постоянного вдувания при значении 60% (исключительный случай работы) или 90-100% (случай нормальной работы) расхода кислорода, используемого на очень высокой скорости.
Преимуществом этого решения является простое применение и полная прозрачность для оператора, который может постоянно корректировать общий расход кислорода.
Кроме того, оно не требует никаких дополнительных средств автоматики.
3
5
5
Кривая 30 показывает расход кислорода в первом контуре при сверхзвуковом вдувании. Этот расход достигает потолка 350 н.м/час, что соответствует максимальному давлению, достигаемому в 21, то есть примерно 9×10 паскаль (кривая 31 в барах, где 1 бар примерно равен 10 паскаль). Увеличение расхода (кривая 32) в этом случае осуществляется через контур 2 (27).
Таким образом, на фиг.3 определена зона 33 «нормальной» работы (сверхзвуковое вдувание кислорода через 26) и зона исключительной работы, соответствующая запуску установки, большому переходному производству и подобному, через контуры 26 и 27.
На фиг.4 представлен пример применения принципиальной схемы, показанной на фиг.2.
Окислитель последовательно проходит через фильтр 40, расходомер 41, предохранительный вентиль 42, пропорциональный вентиль 43, выход которого соединен с точкой 47, в которой разделяются трубопроводы 45 первого контура (26) и 46 второго контура (27), питающего разгрузочное устройство 44.
На фиг.5 в разрезе показана фурма 8 вдувания, измененная в соответствии с настоящим изобретением.
Кислородный трубопровод 16 проходит через горячий воздушный поток, поступающий из 14, и заканчивается вблизи конца наконечника 15 соплом 17 сверхзвукового вдувания (сходящееся/расходящееся устройство).
На фиг.6 показано распределение расхода между первым контуром 26 и вторым контуром 27 в случае, когда первый контур 26 состоит из трех групп сопел с последовательным открыванием групп по ступеням расхода.
Чтобы повысить гибкость технологии, используют n групп сопел (например, три группы сопел), открывающихся друг за другом, что будет пояснено ниже. При значении сверх максимального расхода для первой группы сопел работа сопел (контур 1) по-прежнему происходит в сверхзвуковом режиме.
Контур 2 осуществляет вдувание окислителя, разбавляющего воздух с дополнительным расходом А (разность между общим расходом А+В и расходом В работающих сопел). Скорость вдувания окислителя из этого второго контура является более низкой, но часть расхода этого второго контура является небольшой (в среднем 15%).
Контур 2 непосредственно питается за счет подключения к контуру 1 через разгрузочное устройство.
Таким образом, давление в контуре 1 становится стабильным, как только достигается максимальный расход для группы сопел.
В примере, показанном на фиг.6, различные зоны, пронумерованные от 1 до 4, соответствуют следующей работе:
3
Работа в несверхзвуковом режиме (расход менее 500 н.м /час):
- зона 1: первая группа фурм и нулевой расход в контуре 2.
3
- Работа в сверхзвуковом режиме (расход от 500 до 1100 н.м/час):
- зона 2: первая группа фурм, кривая 60 (ступень) плюс расход в контуре 2 (наклонная область 61 на фиг.), что в сумме дает расход А+В на фиг.6.
3
- зона 3: работают первая и вторая группы сопел контура 1, к которым добавляется расход в виде наклонной области (61) в контуре 1. Когда в зоне 3 постоянный расход контура 1 (60) и возрастающий расход контура 2 (61) достигают 900 н.м/час, активируется третья группа сверхзвуковых сопел, расход 2 возвращается на ноль, и происходит переход в зону 4.
- зона 4: активированы три группы сопел контура 1 при возрастающем расходе в контуре 2. (Кривые 64 и 63 (или С и D) показывают расход воздуха в воздушном потоке, обогащенном кислородом соответственно на 3% и 2% по объему.)
Расход воздуха, соответствующий обогащению на 2% (кривая D) и на 3% (кривая С), показан на фиг.6. Обогащение на 3% позволяет снизить количество кокса. По сравнению с работой в известных решениях расход воздуха уменьшился на 10-15%, и это уменьшение компенсируется дополнительным расходом кислорода и уменьшением количества кокса.