ШАХТНАЯ ПЕЧЬ И ВДУВ ОКИСЛИТЕЛЯ В НЕЕ
SHAFT FURNACE AND OXIDIZER BLOWING INTO IT

Настоящее изобретение относится к эксплуатации шахтных печей.
Термин шахтная печь относится к вертикальным печам в форме шахты или колонны.
Шахтные печи используются в разнообразных процессах. Примеры таких процессов включают, но не ограничиваются этим, сжигание твердых отходов, восстановление железной руды с получением чугуна, плавление металлов и минеральной ваты и т.д., в которых твердую шихту загружают в печь через верх.
Известно, что окислитель для горения или окислитель, такой как воздух, который может быть предварительно нагрет или нет, вдувают в шахтную печь через несколько форсунок, распределенных по периметру печи.
Несмотря на такое распределение вдува окислителя по периметру печи, процесс горения по поперечному сечению печи не всегда однороден, и в шахтных печах часто можно наблюдать точки перегрева. Они могут возникать из-за асимметричной структуры самой шахтной печи и/или из-за неоднородного распределения шихты или состава шихты по поперечному сечению печи.
Местоположение точки перегрева может быть постоянным или устойчивым, например, когда система загрузки шихты систематически создает одно и то же неоднородное распределение шихты по печи, или может изменяться с течением времени, например, когда характер шихты со временем меняется.
Присутствие одной или нескольких таких точек перегрева может привести к снижению эффективности печи, более низкому или менее постоянному качеству продукта процессов плавления и повреждению огнеупорной стенки печи в области точки перегрева или вблизи от нее.
Сходным образом, в шахтных печах также наблюдаются места локального недогрева (холодные пятна). В холодных пятнах температура падает ниже оптимальной температуры процесса, идущего внутри печи, что влияет на эффективность печи и качество продукта в случае процессов плавления. Например, наличие холодного пятна в шахтной печи может привести к образованию так называемых «мостов» и предотвратить равномерное продвижение вниз твердой шихты внутри печи.
В патенте AU-B-660238 описана доменная печь для производства расплавленного чугуна из железной руды с фурмами, расположенными в нижней части печи, которые обеспечивают непрерывное горячее дутье в доменную печь. Как объяснено в AU-B-660238, в местах образования струпьев на стенке печи над фурмами, температура стенки заметно снижена. Чтобы удалить указанные струпья, в AU-B-660238 предлагается в течение нескольких дней уменьшить объем горячего дутья, вдуваемого одной или несколькими фурмами под более холодной областью стенки печи. Это уменьшает глубину проникновения горячего дутья, вдуваемого этими фурмами, и заставляет указанный объем горячего дутья протекать близко к той части стенки печи, где образуется струп, так что этот струп удаляется. Кроме того, ненормально высокий поток горячего металла в участках пода в нижней части печи, может вызвать эрозию прилегающей стенки печи. Такие аномально высокие потоки горячего металла модно обнаружить по более высокой температуре соответствующей части стенки печи. В этом случае в AU-B-660238 предлагается уменьшить объем горячего дутья, вдуваемого одной или несколькими фурмами над областью аномально высокого течения горячего металла, опять же на несколько дней, чтобы снизить температуру и течение горячего металла в указанной области. Поскольку в способе согласно AU-B-660238 уменьшение вдуваемого объема горячего дутья также уменьшает глубину проникновения этого дутья, энергетическая эффективность печи также снижается.
В данной области техники известно повышение эффективности шахтных печей путем введения в печь окислителя с более высоким, чем у воздуха, содержанием кислорода, в частности, обогащенного кислородом воздуха и по существу чистого кислорода. Также известно, что в этом случае вводят окислитель для горения со сверхзвуковой скоростью, чтобы достигнуть увеличенного проникновения окислителя горения в шахтную печь, несмотря на меньший объемный расход. В частности, в данной области техники известно, что обогащенный кислородом окислитель для горения вдувают в шахтную печь импульсным или последовательным образом, при котором каждая из сверхзвуковых форсунок находится между активной фазой, во время которой она вдувает окислитель для горения со сверхзвуковой скоростью, и пассивной фазой, во время которой вдув прекращается. Такие способы работы шахтной печи описаны, например, в EP-A-1242781, EP-A-1739194 и DE-A-10249235.
К сожалению, было замечено, что использование богатого кислородом окислителя для горения не решает проблему точек перегрева и холодных пятен и может даже способствовать возникновению точек перегрева и увеличивать их интенсивность и связанные с ними последствия.
Следовательно, существует необходимость во вдувании окислителя для горения в шахтную печь таким образом, чтобы возникновение точек перегрева и/или холодных пятен и их отрицательное воздействие в шахтной печи были уменьшены или даже устранены.
В частности, существует необходимость в разработке способа вдувания обогащенного кислородом окислителя для горения в шахтную печь, при котором увеличивалась бы эффективность работы печи, при этом снижалось возникновение точек перегрева и/или холодных пятен и их отрицательное воздействие на шахтную печь.
Для этого в настоящем изобретении предлагается усовершенствованный способ вдува окислителя в вертикальную шахтную печь, в которой идет процесс горения.
В указанной шахтной печи расположено n форсунок (не менее 3), распределенных по периметру шахтной печи на уровне или высоте [h, h + Δh] шахтной печи. Каждая из указанных n форсунок приспособлена для звукового или сверхзвукового вдува газообразной среды в один из n участков поперечного сечения шахтной печи на уровне [h, h + Δh].
n форсунок и n секций, таким образом, находятся в соотношении один к одному, причем каждая форсунка связана с одной из секций, в которую форсунка способна вдувать среду, и каждая секция связана с одной из форсунок, посредством чего в секцию может доставляться среда. n секций вместе образуют внутреннее поперечное сечение шахтной печи на уровне [h, h + Δh].
Согласно изобретению шахтная печь является частью установки, включающей источник окислителя и блок управления.
Источник окислителя приспособлен для подачи окислителя с содержанием кислорода выше 21%(об.) и не более 100%(об.), причем указанный источник соединен по текучей среде с каждой из n форсунок. Содержание кислорода в окислителе, подаваемом указанным источником, предпочтительно составляет не менее 50%(об.), более предпочтительно - не менее 90%(об.), и еще более предпочтительно - не менее 95%(об.).
Блок управления запрограммирован на управление следующими двумя параметрами:
• суммарным количеством окислителя, вдуваемым в шахтную печь с помощью n форсунок, рассматриваемых в совокупности, и
• количеством окислителя, вдуваемого в шахтную печь каждой из n форсунок по отдельности.
Сумма количеств окислителя, вдуваемого в шахтную печь каждой из n форсунок в данный момент времени, соответствует общему количеству окислителя, вдуваемого в шахтную печь с помощью n форсунок в указанный момент времени.
Блок управления контролирует общее количество окислителя, вдуваемого n форсунками, так, чтобы удовлетворить потребность в окислителе в процессе горения, который идет в шахтной печи.
c.
Что касается количества окислителя, вдуваемого каждой отдельной форсункой из n форсунок, то оно контролируется блоком управления так, чтобы вдув окислителя каждой из n форсунок происходил циклически в соответствии с продолжительностью цикла t. В течение каждого цикла блок управления управляет вдувом окислителя каждой из n форсунок так, чтобы каждая из n форсунок вдувала окислитель последовательным образом, т.е. чередуя активную фазу и пассивную фазу. Более конкретно, блок управления управляет вдувом окислителя каждой из n форсунок так, чтобы вдув окислителя каждой из n форсунок чередовался между:
a
(a) активной фазой с продолжительностью t активной фазы, где в ходе активной фазы окислитель вдувается форсункой при активном расходе и со скоростью звука или сверхзвуковой скоростью, и
p
(b) пассивной фазой с продолжительностью t пассивной фазы, где в ходе пассивной фазы форсунка либо не вдувает окислитель, либо форсунка вдувает окислитель со скоростью ниже скорости звука и при пассивном расходе, который ниже активного расхода.
a
p
a
p
c
a
p
c
Даже если, как будет объяснено ниже, продолжительность активной фазы t и продолжительность пассивной фазы t могут быть разными для разных форсунок, для каждой из n форсунок сумма продолжительности (t) активной фазы и продолжительности (t) пассивной фазы равна продолжительности (t) цикла циклической работы блока управления (то есть t + t = t).
c
Таким образом, блок управления может гарантировать, что вдув окислителя происходит со скоростью звука или сверхзвуковой скоростью в каждую секцию поперечного сечения шахтной печи на уровне [h, h + Δh] в некоторой точке в продолжение цикла t.
Согласно первому аспекту настоящее изобретение относится к способу вдува окислителя в вертикальную шахтную печь, в которой идет процесс горения, в ходе которого по меньшей мере одна из n секций была идентифицирована как секция с точкой перегрева или как секция с холодным пятном.
a
a
p
p
Если секция идентифицирована как секция с точкой перегрева, блок управления управляет вдувом окислителя через форсунку, соответствующую этой секции с точкой перегрева, так, что продолжительность активной фазы t указанной форсунки короче, чем продолжительность активной фазы t форсунок, не соответствующих секции с точкой перегрева (так что продолжительность пассивной фазы t форсунки секции с точкой перегрева, в свою очередь, больше, чем продолжительность пассивной фазы t форсунки, соответствующей секции, которая не является секцией с точкой перегрева). Вследствие этого, количество окислителя, вдуваемого за цикл в секцию с точкой перегрева, меньше, чем количество окислителя, вдуваемого за цикл в секцию, которая не является секцией с точкой перегрева. Это, в свою очередь, позволяет снизить интенсивность горения в секции с точкой перегрева и снизить температуру в секции с точкой перегрева или предотвратить дальнейшее повышение этой температуры.
a
a
p
p
Аналогичным образом, если секция идентифицирована как секция с холодным пятном, блок управления управляет вдувом окислителя через форсунку, соответствующую этой секции с холодным пятном, так, что продолжительность активной фазы t указанной форсунки длиннее, чем продолжительность активной фазы t форсунок, не соответствующих секции с холодным пятном (и продолжительность пассивной фазы t форсунки секции с холодным пятном, вследствие этого, короче, чем продолжительность пассивной фазы t форсунки, соответствующей секции, которая не является секцией с холодным пятном). Вследствие этого, количество окислителя, вдуваемого за цикл в секцию с холодным пятном, больше, чем количество окислителя, вдуваемого за цикл в секцию, которая не является секцией с холодным пятном. Это позволяет увеличить интенсивность горения в секции с холодным пятном и повысить температуру в секции с холодным пятном или предотвратить дальнейшее понижение этой температуры.
В то же время глубина проникновения окислителя в печь поддерживается тем, что в течение каждого цикла n форсунок продолжают вдувать окислитель со скоростью звука или сверхзвуковой скоростью в течение своей активной фазы.
Если известно, что во время работы шахтной печи не возникает проблем, связанных с секциями с холодным пятном, из способа можно исключить управление посредством блока управления вдувом окислителя через форсунки, соответствующие секциям с холодным пятном.
Аналогичным образом, если известно, что во время работы шахтной печи не возникает проблем, связанных с секциями с точкой перегрева, из способа можно исключить управление посредством блока управления вдувом окислителя через форсунки, соответствующие секциям с точкой перегрева.
В пассивной фазе расход предпочтительно составляет менее половины расхода в активной фазе, более предпочтительно - менее 30% и еще более предпочтительно - не более 15% от расхода в активной фазе. Вдув некоторой части окислителя (со скоростью меньше скорости звука) во время пассивной фазы форсунки обычно проводят с целью предохранения форсунки в пассивной фазе от перегрева и/или предотвращения образования твердых отложений на и внутри форсунки в пассивной фазе.
Чтобы непрерывно вводить достаточное количество окислителя в печь, блок управления контролирует количество n форсунок, находящихся в активной фазе в любой момент времени, при этом остальные форсунки из числа n форсунок находятся в пассивной фазе. Таким образом, когда потребность в окислителе высока, больше форсунок будут одновременно находиться в активной фазе, чем когда потребность в окислителе мала.
a
a
a
Согласно первому варианту осуществления настоящего способа продолжительность t активной фазы каждой из форсунок, не соответствующих секции с точкой перегрева или секции с холодным пятном, одинакова. В качестве альтернативного варианта или в сочетании с этим продолжительность t активной фазы каждой из форсунок, соответствующих секции с точкой перегрева, может быть одинаковой, и/или продолжительность t активной фазы каждой из форсунок, соответствующих секции с холодным пятном, может быть одинаковой.
Блок управления может активировать запуск активной фазы n форсунок так, чтобы следующая форсунка, вступающая в активную фазу, была расположена в направлении по часовой стрелке по периметру печи от последней форсунки, вступившей в активную фазу (если смотреть сверху).
Блок управления в альтернативном случае может активировать запуск активной фазы n форсунок так, чтобы следующая форсунка, вступающая в активную фазу, была расположена в направлении против часовой стрелки по периметру печи от последней форсунки, вступившей в активную фазу (если смотреть сверху).
В соответствии с дополнительным вариантом осуществления, когда число n форсунок равно не менее 5, а предпочтительно - не менее 6, блок управления может активировать запуск активной фазы n форсунок так, чтобы следующая форсунка, вступающая в активную фазу, находилась по другую сторону полуокружности печи напротив последней форсунки, вступившей в активную фазу. Это может привести к более равномерному мгновенному распределению форсунок в активной фазе в поперечном сечении шахтной печи.
Из опыта может быть известно, где в шахтной печи неизменно возникает точка перегрева или холодное пятно. В этом случае идентификация одной или нескольких секций с точкой перегрева может быть произведена заранее, и/или идентификация одной или нескольких секций с холодным пятном в способе согласно изобретению может быть произведена заранее, и соответствующие данные могут быть сохранены как предварительно определенные данные в памяти блока управления, т.е. независимо от какой-либо обратной связи с шахтной печью в реальном времени. Например, таким образом только одну из n секций можно заранее идентифицировать в качестве секции с точкой перегрева и/или только одну из n секций можно заранее идентифицировать в качестве секции с холодным пятном.
a
a
a
p
Аналогично, продолжительность t активной фазы форсунки, соответствующей секции с точкой перегрева, и/или продолжительность t активной фазы форсунки, соответствующей секции с холодным пятном, может быть задана заранее, и в этом случае указанная продолжительность(и) t активной фазы и соответствующая продолжительность(и) t пассивной фазы сохраняются как предварительно определенные данные в памяти блока управления и не изменяются в зависимости от обратной связи от шахтной печи в реальном времени.
a
a
В качестве альтернативы, продолжительность t активной фазы форсунки, соответствующей секции с точкой перегрева, и/или продолжительность t активной фазы форсунки, соответствующей секции с холодным пятном, может изменяться в зависимости от обратной связи от шахтной печи в реальном времени.
a
a
Согласно такому варианту осуществления, если секция определена как секция с точкой перегрева, способ может, предпочтительно, дополнительно включать этап непрерывного или периодического определения температуры точки перегрева внутри секции с точкой перегрева или элемента стенки рядом с секцией с точкой перегрева. Блок управления сравнивает определенную таким образом температуру точки перегрева с заданным верхним предельным значением точки перегрева. Если температура точки перегрева превышает заданное верхнее предельное значение точки перегрева, блок управления уменьшает продолжительность t активной фазы форсунки, соответствующей упомянутой секции с точкой перегрева. Блок управления также сравнивает температуру точки перегрева с заданным нижним предельным значением точки перегрева. Если температура точки перегрева ниже заданного нижнего предельного значения для точки перегрева, блок управления увеличивает продолжительность t активной фазы форсунки, соответствующей упомянутой секции с точкой перегрева.
a
a
Аналогичным образом, если секция определена как секция с холодным пятном, то способ может, предпочтительно, дополнительно включать этап непрерывного или периодического определения температуры холодного пятна внутри секции с холодным пятном или элемента стенки рядом с секцией с холодным пятном. Блок управления сравнивает определенную таким образом температуру холодного пятна с заданным нижним предельным значением холодного пятна. Если определенная таким образом температура холодного пятна ниже заданного нижнего предельного значения для холодного пятна, блок управления увеличивает продолжительность t активной фазы форсунки, соответствующей упомянутой секции с холодным пятном. Блок управления также сравнивает температуру холодного пятна с заданным верхним предельным значением для холодного пятна, и если выявленная температура холодного пятна превышает заранее определенное верхнее предельное значение для холодного пятна, блок управления уменьшает продолжительность t активной фазы форсунки, соответствующей указанной секции с холодным пятном.
Очевидно, что верхнее предельное значение для точки перегрева выше, чем нижнее предельное значение для точки перегрева, а верхнее предельное значение для холодного пятна выше, чем нижнее предельное значение для холодного пятна. Оба предельных значения для точки перегрева обычно выше, чем оба предельных значения для холодных пятен.
Понятно, что эти варианты осуществления обеспечивают более точную реакцию на возникновение точек перегрева и/или холодных пятен в шахтной печи.
Хотя, как указано выше, в некоторых случаях можно заранее определить, что в определенных местах будут возникать точки перегрева и/или холодные пятна, и, таким образом, заранее определить секции с точкой перегрева и/или секции с холодным пятном, во многих случаях будет невозможно предсказать, когда и/или где в шахтной печи может возникнуть точка перегрева или холодное пятно.
По этой причине настоящее изобретение также включает в себя способ вдува окислителя в вертикальную шахтную печь, в которой идет процесс горения и посредством которого в реальном времени обнаруживается появление одной или нескольких секций с точкой перегрева и/или секций с холодным пятном.
В соответствии с таким вариантом осуществления способ дополнительно включает в себя стадию непрерывного или периодического определения контрольной температуры внутри каждой из n секций или элемента стенки рядом с каждой из n секций.
Здесь и далее, если способ включает в себя выявление секций с точкой перегрева, то каждую контрольную температуру сравнивают с опорной температурой для точки перегрева. Если контрольная температура секции превышает опорную температуру для точки перегрева, упомянутая секция идентифицируется блоком управления как секция с точкой перегрева.
Аналогичным образом, если способ (также) включает в себя выявление секций с холодным пятном, то каждую контрольную температуру сравнивают с опорной температурой для холодного пятна, и если контрольная температура секции ниже опорной температуры для холодного пятна, указанная секция идентифицируется блоком управления как секция с холодным пятном.
Опорную температуру для точки перегрева и/или опорную температуру для холодного пятна обычно определяют предварительно. Однако может быть полезно указанную(ые) опорную(ые) температуру(ы) также определять в режиме реального времени, например, в зависимости от среднего значения контрольных температур n секций. Опорная температура точки перегрева может тогда быть первым заданным числом градусов выше указанного среднего значения или первым заданным процентом выше указанного среднего значения. Аналогично, опорная температура холодного пятна может быть вторым заданным числом градусов ниже среднего значения или вторым процентом ниже среднего значения, при этом, когда определены и секции с точкой перегрева, и секция с холодным пятном, первое и второе заранее определенное число градусов или первый и второй проценты могут быть одинаковыми или разными. Точное значение первого и/или второго заданного числа градусов или первого и/или второго процента будет зависеть от чувствительности к различиям в температуре процесса, идущего в печи и/или в огнеупорах печи. Действительно, различия в температуре, которые не оказывают заметного вредного влияния ни на процесс, ни на огнеупоры, как правило, не оправдывают корректировку подачи окислителя в печь.
Определение контрольной температуры может быть сделано вручную или автоматически. Если контрольные температуры определяют периодически, то это может быть сделано вручную или автоматически. Если контрольные температуры определяют непрерывно, то это обычно делается автоматически. Аналогичным образом, операторы печи могут выявлять секции с точкой перегрева и/или секции с холодным пятном и, в частности, сравнивать контрольную температуру и опорную(ые) температуру(ы), и результаты (разность температур или идентификация секций с точкой перегрева и/или холодным пятном) оператор может вводить в блок управления. Предпочтительно, чтобы блок управления автоматически принимал измеренные контрольные температуры, сравнивал их с опорной температурой или температурами и автоматически идентифицировал любые секции с точкой перегрева и/или секции с холодным пятном в зависимости от упомянутого сравнения.
Кроме того, согласно предпочтительному варианту осуществления:
a
a
a
• блок управления также выбирает продолжительность t активной фазы форсунки, соответствующей секции с точкой перегрева в зависимости от разности между контрольной температурой упомянутой секции с точкой перегрева и опорной температурой для точки перегрева таким образом, что большее значение разности между контрольной температурой и опорной температурой для точки перегрева приводит к более короткой продолжительности t активной фазы, а меньшее значение разности между контрольной температурой и опорной температурой для точки перегрева приводит к большей продолжительности t активной фазы
и/или
a
a
a
• блок управления выбирает продолжительность t активной фазы форсунки, соответствующей секции с холодным пятном, в зависимости от разности между контрольной температурой упомянутой секции с холодным пятном и опорной температурой для холодного пятна так, что большее значение разности между контрольной температурой и опорной температурой для холодного пятна приводит к более длинной продолжительности t активной фазы, а меньшее значение разности между контрольной температурой и опорной температурой для холодного пятна приводит к меньшей продолжительности t активной фазы.
Блок управления предпочтительно имеет по меньшей мере один выходной элемент информации, который раскрывает, какая из n секций является секцией с точкой перегрева и/или какая из n секций является секцией с холодным пятном, или какая из n форсунок соответствует секции с точкой перегрева и/или какая из n форсунок соответствует секции с холодным пятном. Блок управления может, например, содержать в качестве выходного элемента экран со схематическим изображением поперечного сечения шахтной печи, в котором выделены любые секции с точкой перегрева и/или секции с холодным пятном. Элемент управления также может иметь выходной элемент, который передает указанную информацию на удаленное устройство, в частности портативное или переносное устройство.
Как правило, поперечное сечение шахтной печи является по существу круглым, хотя также возможны различные поперечные сечения, такие как прямоугольное поперечное сечение.
Как правило, n форсунок по существу равномерно или одинаково распределены по периметру шахтной печи.
Число n указанных форсунок обычно больше 3. Полезное количество форсунок может быть вплоть до 14 или 16. Однако число n форсунок также может быть значительно больше, например, вплоть до 24 или даже до 36.
Источником окислительного газа может быть установка для обогащения воздуха кислородом, как правило, когда содержание кислорода в окисляющем газе относительно низкое, например, более 21%(об.) и не более 90%(об.). Источником окислительного газа также может быть установка сжижения воздуха, резервуар сжиженного кислорода или трубопровод, по которому транспортируется сжиженный кислород, например, когда содержание кислорода в окисляющем газе составляет от 90%(об.) до 100%(об.), предпочтительно - не менее 95%(об.).
Блок управления эффективно контролирует общее количество окислителя, вдуваемого в шахтную печь, с помощью регулируемого узла регулирующих клапанов. Такой регулируемый узел регулирующих клапанов может, например, регулировать общее количество окислителя, которое подается в газораспределитель, который связан по текучей среде с каждой из n форсунок, обычно с контуром подачи газа, который проходит вокруг шахтной печи.
Блок управления преимущественно регулирует количество окислительного газа, поступающего через каждую из n форсунок, посредством n отдельных клапанных узлов, причем каждый из n отдельных клапанных узлов управляет подачей окислителя в одну из n форсунок. Указанные n отдельных клапанных узлов, например, могут быть расположены на n соединениях по текучей среде между газораспределителем (или контуром) и n форсунками, по одному отдельному клапанному узлу на соединение по текучей среде.
n отдельных клапанных узлов предпочтительно представляют собой узлы двухпозиционных клапанов. Когда отдельный клапанный узел находится в рабочем положении, окислитель с первым расходом поступает в соответствующую форсунку так, чтобы указанная форсунка вдувала окислитель в шахтную печь с указанном первым расходом (активным расходом) и со скоростью звука или сверхзвуковой скоростью. Когда отдельный клапанный узел находится в нерабочем положении, окислитель не поступает в соответствующую форсунку, или окислитель поступает в указанную соответствующую форсунку со вторым расходом, который ниже, чем первый расход, так что указанная форсунка не вдувает окислитель в шахтную печь или вдувает окислитель с указанным вторым расходом (пассивным расходом) и со скоростью ниже скорости звука в зону плавления. Форсунки преимущественно оснащены сужающимся-расширяющимся соплом или соплом Лаваля.
Шахтная печь может представлять собой печь для сжигания отходов. Однако изобретение особенно полезно для случая, когда печь представляет собой печь, в которой преобразуется загружаемый материал, отличный от топлива, сжигаемый с окислителем. Таким образом, изобретение особенно полезно для случая, когда шахтная печь представляет собой стеклоплавильную печь, печь для плавки минеральной ваты или печь для плавки металла.
Шахтная печь может быть купольной. Шахтная печь также может быть доменной печью.
Настоящее изобретение также относится к установке для осуществления процесса горения в вертикальной шахтной печи. Эта установка включает шахтную печь, источник окислителя и блок управления.
В шахтной печи представлено n форсунок, распределенных по периметру шахтной печи на уровне [h, h + Δh] шахтной печи, где n равно не менее чем 3, причем каждая форсунка приспособлена для вдува со скоростью звука или сверхзвукового вдува газообразной среды в одну из n секций поперечного сечения шахтной печи на уровне [h, h + Δh].
Окислитель, который источник окислителя приспособлен подавать, имеет содержание кислорода выше 21%(об.) и не более 100%(об.). Кроме того, указанный источник соединен по текучей среде с каждой из n форсунок.
Блок управления установки в соответствии с изобретением запрограммирован управлять как (а) общим количеством окислителя, вдуваемым в шахтную печь с помощью n форсунок так, чтобы удовлетворить потребность в окислителе в процессе горения, так и (b) количеством окислителя, вдуваемым в шахтную печь каждой из n форсунок, причем указанный блок управления более конкретно запрограммирован управлять количеством окислителя, вдуваемым каждой из n форсунок, в соответствии с любым из вариантов осуществления способа изобретения, как описано выше.
Различные особенности установки, описанные выше в контексте способа, такие как число и тип форсунок, типы шахтной печи и т.д., также применимы к различным вариантам установки данного изобретения.
Настоящее изобретение и его преимущества проиллюстрированы в следующих примерах со ссылкой на фиг. 1-4, где:
на фиг. 1 приведено схематическое изображение первого варианта осуществления установки для плавки чугуна, пригодной для использования в способе по изобретению, включая изображение поперечного сечения купольной шахтной печи в установке;
на фиг. 2 приведено схематическое изображение второго варианта осуществления установки для плавки чугуна;
на фиг. 3 приведено схематическое изображение того, как на основании измеренной температуры секции идентифицируют как секции с точкой перегрева или с холодным пятном; и
на фиг. 4 приведено частичное схематическое изображение снимка экрана пользовательского интерфейса, подходящего для использования в контексте настоящего изобретения.
Шахтная печь 10 на фиг. 1 и 2 имеет практически круглое поперечное сечение. Металлическую шихту 20 (чугун), которая должна быть расплавлена, и кокс загружают через верхнюю часть 11 шахтной печи 10. В варианте осуществления, показанном на фиг. 1, шихту 20 загружают в шахтную печь 10 через загрузочное отверстие 21 в кожухе 17 шахтной печи в верхней части 11. В варианте осуществления, показанном на фиг. 2, шихту 20 загружают через крышу 18. Флюсовые материалы обычно вводят таким же образом. Шихту 20 обычно загружают так, чтобы образовывались чередующиеся по сути горизонтальные слои внутри шахтной печи 10, например, слой металла, за которым следует слой кокса, с последующим слоем флюсового материала, за которым следует слой металла и т.д.
Кокс сгорает с окислителем горения в зоне 12 горения, расположенной ниже в шахтной печи 10. При этом окислитель для горения вдувают в шахтную печь 10 через форсунки или фурмы 30, которые расположены вокруг зоны 12 горения на уровне [h, h + Δh] от дна 19 печи 10. Каждая из шести форсунок 30 приспособлена вдувать окислитель со скоростью звука или сверхзвуковой скоростью в одну из шести секций, обозначенных как секции 1-6 на фиг. 4, в поперечном сечении зоны 12 горения шахтной печи 10 на уровне [h, h + Δh]. Каждая из секций 1-6 имеет одну соответствующую ей фурму 30, и каждая из фурм 30 имеет одну соответствующую ей секцию 1-6. В совокупности шесть секций 1-6 перекрывают все поперечное сечение шахтной печи 10.
В проиллюстрированных вариантах осуществления все фурмы 30 расположены на одном уровне h' от дна печи. Однако в других вариантах осуществления форсунки могут находиться на разных уровнях в зоне 12 горения в пределах интервала высоты Δh выше уровня h.
Теплота сгорания вызывает плавление металла в шихте непосредственно над зоной 12 горения, и расплавленный металл просачивается и стекает через зону 12 горения в нижнюю часть 13 печи 10. Топочные газы, образующиеся в зоне 12 горения, перемещаются далее вверх через слои шихты, тем самым нагревая шихту, до их отведения из шахтной печи 10. В варианте осуществления, показанном на фиг. 1, топочные газы покидают печь 10 через выпускное отверстие для газа в крыше 18, в варианте осуществления, показанном на фиг. 2, через выходное отверстие 16 для дымовых газов в кожухе 17 печи 10. Расплавленный металл удаляют из нижней части 13 шахтной печи 10 через выпускной желоб 14. Шлак, который образуется в ходе процесса плавления, удаляют из шахтной печи 10 через шлаковый желоб 15, расположенный на уровне выше уровня выпускного желоба 14.
Блок 40 управления управляет работой шахтной печи 10.
В проиллюстрированном варианте осуществления шесть (6) фурм 30 для окислителя равномерно распределены вокруг зоны 12 горения в шахтной печи 10. Каждая фурма 30 индивидуально соединена с распределителем окислителя в виде контура 31 окислителя, который проходит вокруг шахтной печи 10.
В проиллюстрированном варианте осуществления фурмы 30 представляют собой фурмы для вдувания кислорода, имеющего чистоту от 90%(об.) до 100%(об.), предпочтительно - не менее 95%(об.).
Чтобы сделать возможным вдув окислителя в шахтную печь 10 со скоростью звука или сверхзвуковой скоростью, каждая из фурм 30 оборудована соплом Лаваля 34.
Окислитель для горения (окислитель) подают через контур 31 окислителя из источника окислителя, такого как установка сжижения воздуха или резервуар кислорода (не показано). Клапан 32 используется для управления потоком окислителя из источника окислителя в распределитель 31, и таким образом - мгновенным суммарным количеством окислителя, вдуваемого в шахтную печь 10 через шесть форсунок 30. Клапаны 33 используются для управления потоком окислителя от распределителя 31 к отдельным фурмам 30, один клапан 33 на фурму 30. Работа отдельных клапанов 32, 33 контролируется блоком 40 управления или с его помощью. Блок управления 40 более конкретно контролирует общее количество окислителя, вдуваемого в шахтную печь через шесть форсунок/фурм 30 так, чтобы удовлетворить потребность в окислителе в процессе горения, идущем в шахтной печи 10. С помощью клапанов 33, блок управления 40, кроме того, управляет вдувом окислителя через каждую из шести форсунок 30 так, что каждая форсунка 30 вдувает окислитель в печь 10 в импульсном режиме, т.е. таким образом, что работа указанной форсунки 30 чередуется между
a
(a) активной фазой с продолжительностью t активной фазы, в ходе которой форсунка 30 вдувает окислитель со скоростью звука или сверхзвуковой скоростью и при активном расходе, и
p
(b) пассивной фазой с продолжительностью t пассивной фазы, в ходе которой форсунка 30 либо не вдувает окислитель, либо вдувает окислитель со скоростью ниже скорости звука и при пассивном расходе, который ниже активного расхода.
a
b
c
Для каждой форсунки 30 сумма продолжительности t активной фазы и продолжительности t пассивной фазы равна продолжительности цикла t.
Понятно, что варианты осуществления, показанные на фиг. 1 и 2, представляют собой только два из множества возможных вариантов осуществления.
Количество фурм 30 может быть больше или меньше, чем в приведенном варианте. Дополнительное топливо, такое как уголь, мазут или газообразное топливо, также можно вводить в зону 12 горения. Дополнительное топливо можно вводить в печь 10 через горелки, через топливные фурмы, которые могут отличаться от фурм, или которые могут образовывать совокупность фурм с (некоторыми из) фурмами 30 или - особенно в случае дополнительного топлива в виде твердых частиц - непосредственно через (некоторые из) фурмы 30. Печь 10 также может содержать несколько наборов фурм для сжигания окислителя. Например, набор воздушных фурм для вдува воздуха, который может быть обогащен или не обогащен кислородом, может быть соединен с кольцевой фермой жесткости вокруг шахтной печи, а набор фурм для окислителя, такого как кислород с чистотой от 90%(об.) до 100%(об.), может быть присоединен к отдельному кислородному контуру вокруг шахтной печи.
a
a
a
a
a
Что касается типа печей с боковой загрузкой, как показано на фиг. 1, то в конце каждого периода эксплуатации наблюдалось, что огнеупорный материал кожуха 17 печи подвергался значительному термическому повреждению в зоне, прилегающей к одной конкретной секции зоны 12 горения, причем указанное повреждение указывает на возникновение точки перегрева в указанной секции. В ходе последующего периода эксплуатации температуру кожуха 17 печи, примыкающей к различным секциям, регулярно измеряли, и рассчитывали разность температур кожуха рядом с определенной секцией и рядом с другими секциями. Эти измерения подтвердили, что выявленная секция действительно была устойчивой секцией с точкой перегрева, далее называемой «заранее определенной секцией с точкой перегрева». Затем было проведено испытание, в котором блок 40 управления уменьшал продолжительность t активной фазы фурмы 30, соответствующей заранее определенной секции с точкой перегрева, одновременно увеличивая одинаковую продолжительность t активной фазы всех других фурм 30, чтобы компенсировать уменьшенное количество окислителя, вдуваемого первой фурмой 30, до тех пор, пока не была найдена оптимальная продолжительность t активной фазы для фурмы 30, соответствующей заранее определенной секцией с точкой перегрева, то есть до тех пор, пока не исчезло существенное различие между температурой кожуха рядом с заранее определенной секцией с точкой перегрева и температурой кожуха рядом с другими секциями. После этого блок 40 управления продолжал управлять отдельными клапанами 33, поддерживая определенную таким образом более короткую оптимальную продолжительность t  активной фазы фурмы 30, соответствующей заранее определенной секции с точкой перегрева, и одинаковую, несколько более длительную продолжительность t активной фазы для других фурм 30. В результате, ранее наблюдаемое термическое повреждение на уровне одной конкретной секции больше не наблюдалось, и отсутствие точки перегрева дополнительно приводило к расплавленному продукту улучшенного качества.
Печь 10, показанная на фиг. 2, работает при различных загрузках и с шихтой несколько изменяющегося состава.
Данные об общей потребности в окислителе в процессе или различных стадиях процесса сохраняются в памяти блока 40 управления.
Датчик 60 температуры установлен в кожухе 17 печи или рядом с ним, рядом с каждой из шести секций зоны 12 горения, и данные о температуре, обнаруженные датчиками 60, передаются в блок 40 управления, где они сравниваются, с одной стороны, с опорной температурой точки перегрева, которая значительно выше нормальной или целевой температуры кожуха 17 печи, а с другой стороны - с опорной температурой холодного пятна, которая значительно ниже указанной нормальной или целевой температуры.
Таким образом, как показано на фиг. 3, когда измеренная температура выше заранее определенной температуры точки перегрева, секция идентифицируется как секция с точкой перегрева, а когда измеренная температура ниже заранее определенной температуры холодного пятна, секция идентифицируется как секции с холодным пятном. Если измеренная температура находится в интервале между заранее определенной температурой холодного пятна и заранее определенной температурой точки перегрева, соответствующая секция не является ни секцией с точкой перегрева, ни секцией с холодным пятном.
a
p
o
o
c
o
c
Если все измеренные температуры находятся в интервале между опорной температурой холодного пятна и опорной температурой точки перегрева, блок 40 управления обеспечивает работу фурм 30 с одинаковой продолжительностью t активной фазы (и таким образом с одинаковой продолжительностью t пассивной фазы) так, чтобы каждая фурма 30 вдувала одну шестую общего количества окислителя, вдуваемого в печь 10. Блок 40 управления может, например, активировать фурмы 30 в направлении по часовой стрелке (если смотреть сверху), при этом первая фурма 30 начинает свою активную фазу в начале t продолжительности цикла, следующая фурма 30 начинает свою активную фазу в момент t+ 1/6*t, следующая фурма 30 начинает свою активную фазу в момент t+ 2/6*t, и т.д.
a'
a
Если секция 1-6 идентифицирована как секция с точкой перегрева, продолжительность активной фазы соответствующей форсунки 30 уменьшается до величины t, которая меньше, чем ранее упоминавшаяся продолжительность t активной фазы на заранее определенную долю величины. В результате уменьшается количество окислителя, вдуваемого за цикл через указанную фурму 30 в соответствующую секцию с точкой перегрева.
a'
a
Сходным образом, если секция 1-6 идентифицирована как секция с холодным пятном, продолжительность активной фазы соответствующей форсунки 30 уменьшается до величины t, которая больше, чем ранее упоминавшаяся продолжительность t активной фазы на заранее определенную долю величины. В результате увеличивается количество окислителя, вдуваемого за цикл через указанную фурму 30 в соответствующую секцию с холодным пятном.
Чтобы обеспечивать непрерывный вдув требуемого общего количества окислителя в печь, если одна или несколько секций идентифицированы как секции с точкой перегрева с уменьшенным количеством окислителя, вдуваемого в них за цикл, и/или если одна или несколько секций идентифицированы как секции с холодным пятном, в которые за один цикл вдувается увеличенное количество окислителя, блок 40 управления преимущественно регулирует, где это необходимо, продолжительность активной фазы оставшихся фурм 30 (через которые окислитель вдувается в секции, которые не являются ни секциями с точкой перегрева, ни секциями с холодным пятном), и, таким образом, общее количество окислителя, вдуваемого в печь 10 за цикл, соответствует фактическим потребностям в окислителе в процессе, идущем в печи 10.
На фиг. 4 показан сенсорный экран со схематическим изображением поперечного сечения шахтной печи 10 на уровне фурм 30, соответствующих клапанов 33 и соответствующих секций, на фигуре пронумерованных от 1 до 6. Контур 31 окислителя и клапаны 32 показаны одинаково.
c
a
Общая информация о печи 10 и идущем в ней процессе отображается постоянно, например информация о шихте и общем количестве окислителя, вводимого за цикл или в единицу времени. Дополнительная информация может включать продолжительность цикла t и/или стандартную продолжительность t активной фазы шести фурм 30.
Конкретную информацию о состоянии или условиях работы различных элементов, приведенных на изображении, можно получить, «щелкнув» по соответствующему элементу.
Таким образом, при «щелчке» по одной из секций сенсорный экран может отображать измеренную температуру кожуха 17 печи для упомянутой секции и фактическое количество окислителя, вдуваемого в упомянутую секцию за цикл или за единицу времени через соответствующую фурму 30, или разницу между фактическим расходом окислителя при вдуве и стандартным расходом окислителя при вдуве. На фигуре 3 показаны три примера: секция 3 - это секция с точкой перегрева, секция 4 - нормальная секция, т.е. является ни секцией с точкой перегрева, ни секцией с холодным пятном, а секция 5 - это секция с холодным пятном.
Для постоянного отображения статуса каждой секции предпочтительно используется цветовой код. Например, секция может быть показана синим цветом, если она была идентифицирована как секция с холодным пятном, и красным, если она была идентифицирована как секция с точной перегрева, другой стандартный цвет, например белый, используется для секций, не являющихся секциями с точками перегрева или холодными пятнами.
Предпочтительно, чтобы также была визуализирована информация, хранящаяся в блоке 40 управления, относительно изменения во времени измеряемой температуры кожуха каждой секции и количества окислителя, вдуваемого за цикл в упомянутую секцию (или усредненное по циклу количество окислителя, вдуваемого в упомянутую секцию).