Воздухонагреватель
AIR HEATER

Область техники
Изобретение относится преимущественно к высокотемпературным нагревателям доменного дутья и других газообразных теплоносителей, применяемых в металлургии и энергетике.
Уровень техники
Известен воздухонагреватель доменной печи, содержащий насадку, центральную камеру горения, горелку, размещенную в основании камеры горения - в зоне поднасадочного пространства и кольцевой коллектор воздуха, образуемый с внешней стороны металлическим кожухом и соединенный с соплом горелки отверстиями, размещенными по периметру основания камеры горения (патент на изобретение №2001957, опубл., 28.05.92).
Причинами, по которым нельзя достичь технического результата, является то, что выполнение отверстий в основании стены камеры горения для подачи воздуха в сопло горелки в сочетании с циклическими колебаниями температуры кладки в этой зоне, обусловленными ее нагревом излучением из подкупольного пространства и высокотемпературной зоны камеры горения в периоды нагрева дутья и при омывании холодными газом и воздухом в периоды нагрева насадки, могут вызывать разрушение кладки в зоне отверстий и преждевременный выход из строя камеры горения и воздухонагревателя в целом, а неравномерность термической деформации металлического кожуха кольцевого коллектора воздуха, обусловленная неравномерностью омывания его газообразными теплоносителями и его громоздкость могут нарушить газоплотность кожуха, что в свою очередь приведет к перетоку газов и снижению температуры дутья.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является воздухонагреватель доменной печи. Воздухонагреватель доменной печи, содержащий насадку, поднасадочное пространство, коллектор воздуха, центральную камеру горения, соединенную с соплом горелки, размещенной в камере горения в зоне поднасадочного пространства, при этом в зоне поднасадочного пространства часть камеры горения выполнена расширенной, верхняя часть канала газа горелки расположена в сопле с возможностью образования между соплом и верхней частью канала газа кольцевой щели, через которую сопло соединено с коллектором воздуха, расположенным внутри расширенной части камеры горения (патент №2194768, опубл. 20.12.2002).
Причинами, по которым нельзя достичь, технический результат является то, что горелка может преждевременно выйти из строя из-за разрушения нижней части ее сопла, вызываемого циклическими колебаниями температуры этой части сопла, обусловленными нагревом излучением из подкупольного пространства и высокотемпературной зоны камеры горения в периоды нагрева дутья и охлаждением при омывании холодными газом и воздухом в периоды нагрева насадки, а так же из-за разрушения сопла в целом, вызываемого циклической неравномерной термической деформацией нагретой в периоды дутья металлической опоры и неравномерного омывания ее холодным воздухом в периоды нагрева насадки, кроме того, разрушение горелки в целом может быть вызвана ненадежной службой металлических элементов горелки, работающих в зоне повышенных температур. Все это снижает стойкость воздухонагревателя, его эксплуатационную надежность и экономичность. Раскрытие сущности изобретения
Техническая проблема заключается в разработке камеры горения воздухонагревателя направленная на долговечность эксплуатации.
Технический результат заключается в повышении эксплуатационной надежности и экономичности воздухонагревателя.
c
o
Технический результат достигается тем, что воздухонагреватель доменной печи, содержащий насадку, поднасадочное пространство, центральную камеру горения, которая в зоне основания насадки сужена, а в зоне поднасадочного пространства расширена и снабжена отверстиями для подвода газа и воздуха в нее и конусообразным стабилизатором пламени и эти части камеры горения служат горелкой, при этом диаметр d цилиндрической части сужения равен 0,5-0,7 диаметра d основной части камеры горения, угол α расширения равен 10°-20°, а угол β образующей конуса стабилизатора пламени равен 25°-35°.
c
o
При d<0,5d возникает опасность снижения тепловой мощности воздухонагревателя и температуры дутья из-за увеличения сопротивления движению газов (смеси газа, воздуха и продуктов горения) в сужении камеры горения, а так же стойкости кладки сужения из-за разрушающего действия увеличения скорости газов, омывающих ее.
co
o
При d<0,7d снижается стойкость кладки расширения камеры горения из-за возникновения в ней опасных термических напряжений, вызываемых циклическими колебаниями температуры, обусловленных нагревом ее увеличенным тепловым потоком, излучаемым из подкупольного пространства и высокотемпературной зоны камеры горения в периоды нагрева дутья, и охлаждением при омывании холодными газом и воздухом в периоды нагрева насадки.
При α<10° невозможно реализовать стабилизатор, обеспечивающий стабилизацию пламени и превращение мощных струй газа и воздуха в тонкие слои при его обтекании; первое приведет к снижению стойкости кладки расширения камеры горения из-за циклической неравномерности температуры и соответственно температурной деформации по ее периметру, вызываемой изменением местоположения пламени и его смещением от оси к стене камеры горения в период нагрева насадки, а второе - неполному сжиганию газа в камере горения и уменьшению КПД воздухонагревателя из-за невозможности превратить мощные струи газа и воздуха в тонкие слои, столкновение которых интенсифицирует их перемешивание и обеспечивает полное сжигание газа в камере горения.
При α>20° снижается стойкость камеры горения.
При β<25° размеры стабилизатора пламени недостаточны для стабилизации пламени и превращения мощных струй газа и воздуха в тонкие слои при его обтекании; первое приведет к снижению стойкости кладки расширения, а второе - к недожогу газа в камере горения и снижению КПД воздухонагревателя по вышесказанным причинам.
При β>35° возникает опасность преждевременного выхода из строя стабилизатора пламени из-за возникновения в нем опасных термических напряжений, вызываемых увеличением циклических колебаний температуры, обусловленных нагревом его излучением из подкупольного пространства и высокотемпературной зоны камеры горения в периоды нагрева дутья и увеличением интенсивности охлаждения в периоды нагрева насадки из-за повышения скорости и степени прямого удара холодных струй газа и воздуха обтекающих его. Выход из строя стабилизатора пламени приведет к снижению стойкости кладки расширения камеры горения и недожогу газа в ней по причинам, рассмотренным выше. Сущность изобретения поясняется фигурами:
На фиг. 1 изображен предлагаемый воздухонагреватель, разрез А-А на фиг. 2; на фиг. 2 - разрез Б-Б на фиг. 1., где:
1. насадка;
2. центральная камера горения;
3. подкупальное пространство;
4. поднасадочное решетка;
5. поднасадочное пространство;
6. колонны;
7. штуцер горячего дутья;
8. отверстие для подвода газа;
9. кольцо;
10. отверстие для подвода воздуха;
11. стабилизатор пламени;
12. расширение;
13. сужение;
14. штуцер холодного дутья.
Воздухонагреватель содержит насадку 1, охватывающую центральную камеру 2 горения, и соединенную с подкупольным пространством 3, а внизу через посредство поднасадочной решетки 4 с поднасадочным пространством 5. Насадка 1 служит промежуточным теплоносителем между продуктами горения и дутьем, которые проходят через нее. Камера горения 2, расположенная в средней части воздухонагревателя, в зоне основания насадки сужена, а в зоне поднасадочного пространства 5 расширена и снабжена отверстиями для подвода газа 8 и воздуха 10 в нее и конусообразным стабилизатором пламени 11 и эти ее части служат горелкой. Подкупольное пространство 3 расположено в верхней части воздухонагревателя и соединено с центральной камерой 2 горения, насадкой 1 и штуцером 7 горячего дутья. Оно служит для подвода продуктов горения к насадке 1 в периоды ее нагрева и для отвода из нее горячего дутья в периоды нагрева дутья. Поднасадочная решетка 4 расположена под насадкой и примыкает к насадке 1 и поднасадочному пространству 5. Она служит для передачи нагрузки от насадки 1 через кладку стены воздухонагревателя, колонн 6 и кольцо 9 на фундамент. Колонны 6 служат для передачи нагрузки от насадки 1 и поднасадочной решетки 4 через кольцо 9 на фундамент.
Приведенный вариант передачи нагрузки от насадки и поднасадочной решетки на фундамент по сравнению с обычным способом через удлиненные колонны, устанавливаемые непосредственно на фундамент, устраняет возникновение опасных напряжений в насадке из-за циклических колебаний в их температурном росте в конце периодов дутья, обусловленными неравномерным охлаждением колонн, имеющих одинаковую температуру в конце периодов нагрева насадки и максимальную неравномерность температуры и соответственно температурного роста в конце периодов нагрева дутья.
Кольцо 9, расположенное в поднасадочной пространстве 5 и охватывающее камеру 2 горения, служит для повышения равномерности распределения дутья по сечению насадки и промежуточным звеном в передаче нагрузки от насадки на фундамент. Поднасадочное пространство 5 расположено в нижней части воздухонагревателя и примыкающее снаружи к штуцерам 14 дыма и холодного дутья, а вверху через поднасадочную решетку 4 к насадке 1, служит для равномерного распределения продуктов горения и дутья по сечению насадки (последнему способствует кольцо 9). Штуцеры 14 дыма и холодного дутья, расположенные в нижней части воздухонагревателя, соединены с поднасадочным пространством 5 и служат для отвода продуктов горения в периоды нагрева насадки и подачи холодного дутья в периоды нагрева дутья. Сужение 13 камеры 2 горения расположено в зоне основания насадки 1 и граничит с началом расширения 12 камеры горения. Оно служит для уменьшения теплового потока, излучаемого из подкупольного пространства и высокотемпературной зоны камеры 2 горения в периоды дутья, в расширение 12 камеры горения и как часть горелки, функции которой выполняют сужение 13 и расширение 12 камеры горения, способствует полному сжиганию газа в камере 2 горения. Расширение 12 камеры горения с отверстиями для подвода газа и воздуха и стабилизатором пламени 11 расположено в зоне поднасадочного пространства 5 выполняет роль основной части горелки и служит для сжигания газа. Стабилизатор пламени 11 расположен в днище камеры 2 горения (в расширенной ее части) служит для стабилизации пламени и снижения скорости газов, омывающих кладку и превращение мощных струй газа и воздуха в тонкие слои при его обтекании. Каналы 8 газа и 10 воздуха служат для подвода газа и воздуха в горелку - в расширение 12 камеры 2 горения. Осуществление изобретения
В период нагрева насадки 1 из каналов 8 газ и 10 воздух поступают в расширенное 12 камеры 2 горения где, обтекая стабилизатор пламени 11 и сталкиваясь, происходит их перемешивание и начало сжигания газа. Из расширения 12 смесь газа, воздуха и продуктов горения через сужение 13 камеры 2 горения поступает в высокотемпературную зону камеры 2 горения, где происходит дожигание газа и продукты полного горения выходят в подкупольное пространство 3. Из подкупольного пространства 3 продукты горения поступают в насадку 1 и охлаждаясь в ней, выходят в поднасадочное пространство 5, откуда через штуцеры 14 отводятся в общий дымоход.
В период нагрева дутья холодное дутье через штуцеры 14 подается в поднасадочное пространство 5, из которого поступает в насадку 1 и нагреваясь в ней выходит в подкупольное пространство 3 и оттуда через штуцер 7 горячего дутья отводится в общий трубопровод горячего дутья. Преимущество изобретения заключается в повышении стойкости, эксплуатационной надежности и экономичности воздухонагревателя, что достигается выполнением камеры 2 горения с сужением 13 в зоне основания насадки 1, расширением 12 в зоне поднасадочного пространства 5 и конусообразного стабилизатора пламени 11 в ее днище и эти ее части служат горелкой.
Внедрение предлагаемого воздухонагревателя по сравнению с базовым, в качестве которого принимается наиболее близкий к нему аналог - воздухонагреватель с центральной камерой горения доменной печи объемом 2000 куб.м., позволит увеличить КПД воздухонагревателя и на 60-80°С повысить температуру нагрева дутья, что эквивалентно увеличению на 0,75-1,0% производительности доменной печи.