ВОЗДУХОНАГРЕВАТЕЛЬ ДОМЕННОЙ ПЕЧИ
AIR HEATER OF BLAST FURNACE

Изобретение относится к области черной металлургии, в частности к конструкции воздухонагревателей для нагрева доменного дутья.
Известен воздухонагреватель, содержащий кожух, футеровку купола, насадочной и поднасадочной камер, кольцевую форкамеру, многосопловую горелку, газовый и воздушный коллекторы с выходными отверстиями в каналы подвода газа и воздуха к соплам горелки, расположенные между кожухом купола и камерой насадки. Воздушные и газовые каналы, расположенные в шахматном порядке, закрыты сверху, имеют отверстия в боковых стенках, сообщающиеся с расположенными между ними смесительными камерами, открытыми сверху (см. а.с. СССР №602555, Кл. С21В 9/02, в 1978 г.).
На выходе из горелки газовоздушная смесь, полученная в смесительных камерах, загорается и продукты горения распространяются в форкамере сначала вверх, потом в подкупольном пространстве меняют направление на обратное и поступают в насадку.
Недостатком аналога является то, что вход продуктов горения после поворота под куполом в насадку происходит прямым потоком, что приводит к неравномерности распределения продуктов горения по насадке в газовый период с максимальными расходами в центре и минимальными на периферии. Это приводит к образованию неравномерного поля температур в насадке.
Кроме того, недостатком известного воздухонагревателя является высокое гидравлическое сопротивление как по газовому, так и по воздушному трактам, что требует дополнительных затрат на увеличение мощности электропривода вентиляторов воздуха горения (дополнительные затраты электроэнергии) и увеличения давления доменного газа.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков и достигаемому техническому результату к заявляемому изобретению является воздухонагреватель, содержащий кожух с футеровкой, насадку, купол с расположенной в его верхней части и соосно с ним форкамерой, снабженной кожухом с футеровкой, с независимой опорой на кожух, принятый в качестве прототипа (см. патент RU №2145637, МПК 7 С21В 9/02, опубл. 20.02. 2000 г., Бюл. №5).
В воздухонагревателе штуцер горячего дутья расположен над насадкой на расстоянии от ее верха не менее одного диаметра его проходного сечения. Каналы для прохода газа и воздуха выполнены в боковой вертикальной стенке футеровки форкамеры и сообщаются с внутренними коллекторами и штуцерами для подвода газа и воздуха.
Недостатком прототипа является то, что каналы верхнего ряда по всему кругу форкамеры сообщаются только с газовым коллектором, а каналы нижнего ряда по всему кругу сообщаются только с воздушным коллектором, при этом после истечения газовых сред образуется два потока, движущихся послойно. Это ухудшает условия перемешивания газа с воздухом.
Оси верхних каналов из нижнего коллектора направлены к оси форкамеры и смещены вверх от горизонтальной плоскости на угол до 30°, а оси остальных каналов расположены в горизонтальной плоскости и направлены под углом 15-30° к радиусам форкамеры, проходящим через центры их выходных отверстий. При этом воздушные струи, движущиеся по каналам верхнего ряда из нижнего коллектора в радиальном направлении вверх под углом до 30°, не обладают достаточной энергией для интенсивного перемешивания потоков, движущихся послойно, что не обеспечивает полного сгорания газа.
Существенными признаками прототипа, совпадающими с существенными признаками заявляемого изобретения, является наличие кожуха с куполом, снабженного футеровкой, насадки, штуцера горячего дутья, форкамеры, расположенной в верхней части купола соосно с ним, снабженной кожухом с футеровкой, выполненной независимо от футеровки купола, снабженной коллекторами газа и воздуха, сообщающимися с подводящими газопроводом и воздухопроводом и со сквозными каналами подвода газа и воздуха, размещенными в вертикальной боковой стенке футеровки форкамеры рядами, причем каналы выполнены с возможностью подачи газа и воздуха непосредственно в форкамеру.
Недостатком такой конструкции воздухонагревателя является также размещение 2-кольцевых коллекторов прямоугольного сечения для газа и воздуха один над другим внутри горелки (в кладке форкамеры), при этом стойкость горизонтальной перегородки между ними будет низкой. Это, а также негерметичность кладки форкамеры обусловливают негерметичность коллекторов газа и воздуха горения, возрастающую в течение эксплуатации.
Эта негерметичность перемычки между газовым и воздушным коллекторами, а также между элементами кирпичной плотной кладки горелки и неплотными стыками, заполненными огнеупорным раствором (мертелем), приводит к тому, что еще до входа в сопла горелки, а затем и после фильтрации через неплотную кладку горелки газ будет частично перемешиваться с воздухом горения не только по закону, заданному формой и расположением каналов для прохода компонентов горения (тангенциально, радиально или с направлением вверх форкамеры), но и по случайному закону, хаотически, что снижает эффект закручивания газовых потоков, выходящих из сопел горелки, поскольку часть газовых сред попадает в форкамеру горелки неорганизованно через щели в кладке форкамеры. Это приводит к снижению интенсивности перемешивания компонентов горения и соответственно к снижению качества сжигания топлива.
Недостатком вышеупомянутого воздухонагревателя является также расположение части каналов под углом 15-30° к радиусам форкамеры, проходящим через центры выходных сечений каналов, ибо такие углы приводят к недостаточной степени закручивания потоков и их смешивания.
В основу изобретения поставлена задача усовершенствовать воздухонагреватель доменной печи путем интенсификации перемешивания компонентов горения и улучшения качества их сгорания за счет усовершенствования конструкции форкамеры, что обеспечивает подачу газа и воздуха встречными струями, а также путем герметизации коллекторов газа и воздуха за счет их новой конструкции, что обеспечивает их герметичность, что улучшает условия перемешивания газа с воздухом, обеспечивает полноту сжигания газа, повышает стойкость горелки и насадки, а также надежность воздухонагревателя в целом, снижает количество вредных выбросов в атмосферу.
Поставленная задача решается тем, что в воздухонагревателе доменной печи, содержащем кожух с куполом, снабженные футеровкой, насадку, штуцер горячего дутья, форкамеру, расположенную в верхней части купола соосно с ним, снабженную кожухом с футеровкой, выполненной независимо от футеровки купола, снабженную коллекторами газа и воздуха, сообщающимися с подводящими газопроводом и воздухопроводом и со сквозными каналами подвода газа и воздуха, размещенными в вертикальной боковой стенке футеровки форкамеры рядами, причем каналы выполнены с возможностью подачи газа и воздуха непосредственно в форкамеру, согласно изобретению сквозные каналы подвода газа и воздуха размещены в вертикальной боковой стенке футеровки форкамеры в верхнем и нижнем рядах в горизонтальной плоскости, а коллекторы газа и воздуха для каждого ряда сквозных каналов подвода газа и воздуха выполнены в виде двух полых коллекторов, заглушенных с торцов сплошной кладкой с кожухом, расположены снаружи форкамеры напротив друг друга и имеют сопла, установленные соосно входным отверстиям в сквозные каналы подвода газа и воздуха, при этом в нижнем ряду размещены сквозные каналы подвода газа и воздуха, продольные оси которых направлены под углом 12-85° к радиусам форкамеры, проходящим через центры отверстий этих каналов на входе в форкамеру, причем часть их соединена с нижним коллектором газа, а часть - с нижним коллектором воздуха, а в верхнем ряду размещены сквозные каналы подвода газа и воздуха, расположенные радиально друг против друга, при этом их продольные оси совпадают с радиусами форкамеры, причем часть их соединена с верхним коллектором газа, а часть - с верхним коллектором воздуха.
Причинно-следственная связь между существенными признаками изобретения и достигаемым техническим результатом заключается в следующем.
Размещение в футеровке форкамеры в верхнем ряду радиально попарно расположенных друг против друга сквозных каналов для газа и воздуха, проходящих через стену форкамеры, образует первую ступень горения, где идет стадия неполного горения газа.
Радиальное расположение попарно друг против друга сквозных каналов, проходящих через стену форкамеры, обеспечивает встречное движение газа и воздуха, и, как следствие, интенсивное их перемешивание в верхней части форкамеры.
Размещение в футеровке форкамеры в нижнем ряду сквозных каналов подвода газа и воздуха, продольные оси которых направлены под углом к радиусам форкамеры, проходящим через центры отверстий этих каналов на входе в форкамеру, образует вторую ступень горения, куда подается недостаточное количество воздуха.
Тангенциальное расположение каналов в нижнем ярусе обеспечивает тангенциальное направление струй газа и воздуха, их закручивание, что приводит к подъему закрученной газовоздушной дымовой смеси вверх, к куполу форкамеры, удлиняя путь перемешивания и горения топливной смеси и обеспечивая ее сгорание до входа в насадку.
Этому способствует разрежение, создаваемое вращающимися потоками воздуха и газа нижнего яруса.
На верхнем ярусе радиальные встречные струи внедряются во вращающийся подымающийся газовый поток.
Загорание происходит на верхнем ряду сопел, куда рециркулирует горящий поток из нижней зоны.
Рециркуляция, образующаяся в результате тангенциального движения газов, удлинение пути газов, двухстадийное сжигание также способствуют сокращению количества образующихся NOx и СО.
Описанное взаимодействие потоков газа, воздуха и дымовых газов приводит к их интенсивному перемешиванию и сгоранию до входа в насадку.
Таким образом, сгорание газа на двух уровнях в две стадии, обеспечивает равномерное его выгорание по высоте форкамеры и купола при относительно невысоких температурах на 1 и 2 уровнях (ступенях) горения.
Далее продукты горения попадают через горловину в подкупольное пространство воздухонагревателя, где благодаря их вращению и диффузорной форме купола обеспечивается равномерное распределение продуктов горения по поперечному сечению насадки.
Выполнение газового и воздушного коллекторов в виде полых коллекторов, состоящих попарно из двух коллекторов, заглушенных с торцов сплошной кладкой с кожухом и расположенных снаружи форкамеры, обеспечивает вместе с повышением герметичности горелки организацию встречной подачи струй газа и воздуха.
Каналы подвода газа и воздуха в нижней зоне горения размещены в форкамере под углом α 12-85° к радиусам, проведенным в горизонтальной плоскости из вертикальной оси форкамеры в центры выходных отверстий этих каналов на входе в форкамеру, что обусловлено следующим.
2
Если указанный угол α будет менее 12°, то интенсивность закручивания потоков газа и воздуха, которая пропорциональна sin α, будет недостаточной для надежного перемешивания газа и воздуха горения, и факел при входе в насадку будет содержать не успевшие сгореть горючие СО, Н и др.
Если же угол α будет более 85°, то закручивание газовых потоков будет чрезмерным, факел существенно укоротится, что приведет к развитию в форкамере температур в период нагрева, существенно превышающих температуры приповерхностных слоев футеровки в период дутья, что приведет к появлению опасных температурных напряжений, которые приводят к сколам футеровки и падению ее фрагментов на насадку (ее засорению).
Если угол α более 85°, то выполнить это условие при изготовлении каналов в футеровке горелки из стандартных огнеупорных изделий при конечных размерах каналов весьма трудоемко.
Углы 12-85° являются оптимальными, поскольку максимальная разница температур поверхности футеровки форкамеры в периоды нагрева и дутья не превышает 50°С, что безопасно для ее стойкости.
На фиг.1 показан вертикальный разрез воздухонагревателя, на фиг.2 - разрез 1-1 на фиг.1, на фиг.3 - разрез 2-2 на фиг.1.
Воздухонагреватель доменной печи содержит кожух 1 с куполом 2, снабженные футеровкой 3, насадку 4, штуцер горячего дутья 5, форкамеру 6, расположенную в верхней части купола 2 соосно с ним, имеющую кожух 7 с футеровкой 8, выполненной независимо от футеровки купола 2 с самостоятельной опорой на кожух купола.
Подводящие газопроводы верхний 9 и нижний 10 и воздухопроводы верхний 11 и нижний 12 соединены соответственно с коллекторами газа 13 и 14 и воздуха 15 и 16, сообщающимися со сквозными каналами 21, 22 и 23, 24 соответственно подвода газа и воздуха, размещенными в футеровке 8 форкамеры двумя рядами - верхним и нижним.
В верхнем ряду (разрез 1-1) размещены сквозные каналы подвода газа 21 и воздуха 23, расположенные радиально попарно друг против друга, при этом их оси совпадают с радиусами форкамеры.
В нижнем ряду (разрез 2-2) размещены сквозные каналы 22 подвода газа и 24 - воздуха, продольные оси которых направлены под углом 12-85° к радиусам форкамеры, проходящим через центры выходных сечений каналов в форкамеру.
Газовые 13 и 14 и воздушные 15 и 16 коллекторы снабжены соответственно соплами 17, 18, установленными соосно входным отверстиям в сквозные каналы 21, 22 подвода газа и соплами 19 и 20, установленными соосно входным отверстиям в сквозные каналы 23, 24 - подвода воздуха, и для каждого ряда каналов выполнены в виде двух коллекторов, заглушеных с торцов сплошной кладкой с кожухом и расположенных снаружи форкамеры.
Подводящие газопроводы 9 и 10 соединены с верхним и нижним газовыми полыми коллекторами 13 и 14, расположенными один под другим. Подводящие воздухопроводы 11 и 12 соединены с верхним и нижним воздушными полыми коллекторами 15 и 16, расположенными один под другим. Верхние коллекторы 13 и 15, снабженные соплами 17 и 19, соединены с форкамерой 6 радиальными попарно расположенными друг против друга сквозными каналами 21, 23, проходящими сквозь стену форкамеры, продольные оси которых совпадают с радиусами форкамеры. Нижние полые коллекторы 14, 16, снабженные соплами 18 и 20, соединены с тангенциально расположенными горизонтальными сквозными каналами 22, 24, продольные оси которых направлены под углом к радиусам форкамеры, проходящим сквозь центры выходных сечений этих каналов.
Оси тангенциально расположенных горизонтальных сквозных каналов 22, 24 составляют с радиусами, проведенными в центр выходных отверстий газа и воздуха из нижних каналов в форкамеру с вертикальной оси форкамеры в горизонтальной плоскости угол, равный 12-85°.
Воздухонагреватель работает следующим образом.
В период нагрева насадки горючий газ подается через подводящий газопровод 9 в коллектор 13 (верхний) и через сопла 17 попадает в каналы 21, и далее попадает в первую ступень камеры горения (форкамеры), где встречается с воздухом горения, подаваемым через подводящий воздухопровод 11, коллектор 15 и сопла 19, в каналы 23. Сопла подвода газа 17 и воздуха 19 в верхнем ряду расположены радиально-встречно. Идет стадия неполного горения газа. Для надежного зажигания газа предусмотрена свеча 25.
Недостаточное (недостающее) количество воздуха (2-я ступень) подается через коллектор 16, сопла 20 и каналы 24. Некоторое количество газа подается в коллектор 14, из которого он через сопла 18 и каналы 22 попадает во вторую ступень форкамеры. Сгорание газа на двух ярусах обеспечивает равномерное его выгорание по высоте форкамеры и купола при относительно невысоких температурах на 1 и 2-ом ярусах горения. Высокая интенсивность перемешивания струй газа и воздуха на 1-ом ярусе обеспечивается встречным их введением в форкамеру, а на 2-ом ярусе - за счет тангенциального ввода струй газа и воздуха, их крутки. Это приводит к подъему закрученной газовоздушно-дымовой смеси вверх, к куполу форкамеры 6, удлиняя путь перемешивания и горения топливной смеси и обеспечивая ее сгорание до входа в насадку.
Этому способствует разрежение, создаваемое вращающимися потоками воздуха и газа 2-го яруса.
На 1-ом ярусе радиальные встречные струи внедряются во вращающийся подымающийся газовый поток. Загорание газа происходит на верхнем ряду сопел 17, 19 и каналов 21 и 23. Рециркуляция газов и двухстадийное сжигание топлива способствуют также сокращению количества образующихся NOx и СО.
Далее продукты горения попадают через горловину 26 в подкупольное пространство 27, где благодаря их вращению и диффузорной форме купола 2, обеспечивается равномерное распределение продуктов горения по поперечному сечению насадки 4. Затем продукты горения, пройдя насадку 4, поднасадочное устройство, поступают в дымовой боров и трубу.
Описанное взаимодействие потоков газа, воздуха и дымовых газов приводит к их интенсивному перемешиванию и сгоранию до входа в насадку 4.
Горячее дутье отводится через штуцер горячего дутья 5, пройдя поднасадочное устройство, насадку 4 в обратном направлении.
Заявляемый воздухонагреватель может работать как на холодных, так и на подогретых компонентах горения, при этом использование последних приводит к сокращению длины факела, что будет способствовать улучшению качества (полноте) сжигания газа.
Воздухонагреватель доменной печи обеспечивает полное и равномерное по периметру купола выгорание газа с равномерным нагревом купола и насадки, полноту сжигания газа, повышает стойкость горелки и надежность воздухонагревателя в целом, а также снижает количество вредных выбросов в атмосферу.