Устройство для сжигания природного газа и кислорода

Полезная модель относится к области металлургии, в частности к топливосжигающим устройствам современных дуговых сталеплавильных печей (ДСП) емкостью более 80 т для подогрева и осаждения железосодержащей шихты в период подвалки и продувки кислородом расплава в период рафинирования.
В дуговой сталеплавильной печи газокислородные горелки предназначены, прежде всего, для ускоренного нагрева шихты первой корзины, чтобы обеспечить более быструю подачу окончательной массы материалов в рабочее пространство. Прогрев всей массы шихты до температуры плавления должен происходить равномерно по всему объему без локальных зон перегрева и оплавления. Образование поверхностной жидкой фазы приводит к снижению газопроницаемости при заполнении пустот, расположенных в нижних слоях шихты.
Интенсивное плавление возможно при условии, если создается максимальный уровень теплопередачи в объеме материалов шихты. Быстрый нагрев холодной шихты с использованием дополнительного источника тепловой энергии продуктов сгорания природного газа с кислородом обеспечивает снижение расхода электрической энергии и сокращение времени плавки.
Из уровня техники известно устройство для сжигания природного газа в кислороде в дуговой сталеплавильной печи (RU2135602, опубл. 27.08.1999). Устройство характеризуется подачей закрученного потока кислорода в камеру смешения при центральной подаче природного газа в боковом направлении к потоку кислорода. Недостатком данной конструкции является повышенное сопротивление на линии подачи кислорода, что приводит к снижению скорости смеси природного газа и кислорода на выходе из горелки. При этом отсутствует возможность применения горелки в режиме продувки расплава высокоскоростной струей кислорода.
Известны, применяемые на современных ДСП, комбинированные горелки фирмы VAI FUCHS (Voronov, G.V., & Glukhov, I. V. (2022). Physicochemical Properties of Natural Gas and Oxygen Combustion Products at Diffusion and Kinetic Burning. BA.A. Radionov, & V.R. Gasiyarov (Ред.), Proceedings of the 7th International Conference on Industrial Engineering, ICIE 2021 p. 320 Fig. 1). В конструкциях этих горелок природный газ и кислород подают раздельно, а их перемешивание происходит в свободном объеме на выходе из горелки, обеспечивая диффузионный режим горения. Сжигание в диффузионном режиме в рабочем пространстве ДСП приводит к локальным перегревам, оплавлению шихты и повышенному угару металлической части шихты.
Известно горелочное устройство (Глухов И.В. Сжигание природного газа с технологическим кислородом в рабочем пространстве современной дуговой сталеплавильной печи / И.В. Глухов, Г.В. Воронов // Теплотехника и информатика в образовании, науке и производстве: сборник докладов IX Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых (ТИМ’2021) с международным участием (Екатеринбург, 13-14 мая 2021 г.). - Екатеринбург: УрФУ, 2021. стр. 33 рис. 7). Данное устройство содержит сопло Лаваля с криволинейным профилем стенки и отверстиями для подвода природного газа в диффузор сопла. По соплу подается кислород, при этом перемешивание природного газа с кислородом происходит в диффузоре при внешнем подводе природного газа. Подвод природного газа в поток окислителя в этом устройстве происходит через шесть цилиндрических отверстий в диффузоре сопла, которые в полной мере не обеспечивают равномерное распределение природного газа по периметру сопла, из-за наличия больших зон между отверстиями.
Задачей настоящей полезной модели является обеспечение эффективного перемешивания и сжигания природного газа и кислорода в кинетическом режиме в рабочем объеме дуговых сталеплавильных печей.
Для этого предложено устройство, которое, как и устройство по прототипу, содержит сопло Лаваля с криволинейным профилем стенки и отверстиями для подвода природного газа в диффузор сопла. Новое устройство отличается тем, что отверстия для подачи природного газа в диффузор сопла выполнены в форме вытянутых наклонных прямоугольных отверстий, длинная сторона которых расположена перпендикулярно направлению потока окислителя, а наклон прямоугольных отверстий по отношению к потоку окислителя составляет 6°.
Сущность заявленного решения заключается в том, что природный газ подают в поток кислорода через шесть наклонных прямоугольных отверстий в диффузоре сопла. Это позволяет увеличить площадь контакта струй природного газа с потоком окислителя при сохранении скоростей истечения природного газа, что, в свою очередь, позволяет произвести хорошее перемешивание топлива с окислителем, при этом гидравлическое сопротивление струй природного газа потоку окислителя будет незначительным и не приведет к снижению скорости продуктов сгорания.
Таким образом, новый технический результат, достигаемый заявленной полезной моделью, заключается в повышении интенсивности перемешивания потоков природного газа и кислорода.
Полезная модель иллюстрируется рисунками, где
на фиг. 1 показан общий вид горелки;
на фиг. 2 - продольный разрез горелки;
на фиг. 3 - сечение смесителя кислорода и природного газа.
Горелочное устройство содержит сопло Лаваля с криволинейным профилем 1, патрубком для подвода кислорода 2. В диффузоре сопла Лаваля выполнены шесть вытянутых наклонных прямоугольных отверстий 3, длинная сторона которых расположена перпендикулярно направлению потока окислителя, а наклон прямоугольных отверстий по отношению к потоку окислителя составляет 6°. Отверстия 3 соединены с коллектором 4 и патрубком для подвода природного газа 5.
При работе устройства в режиме горелки через сопло Лаваля подается кислород, попадая в диффузор с шестью, расположенными по окружности, прямоугольными наклонными отверстиями 3, через которые подается природный газ. Происходит перемешивание, подготовленная таким образом смесь воспламеняется от электрических дуг ДСП и за счет эффективного предварительного перемешивания формируется кинетический режим сжигания. При этом конструкция позволяет эксплуатировать горелку и в режиме продувки жидкой ванны кислородом без подачи природного газа.
Таким образом, заявленная полезная модель позволяет эффективно перемешивать и сжигать природный газ с кислородом в рабочем объеме дуговой сталеплавильной печи в кинетическом режиме.