ВОЗДУХОНАГРЕВАТЕЛЬ ДОМЕННОЙ ПЕЧИ
AIR HEATER OF BLAST FURNACE

Заявляемый объект относится к устройствам для нагревания доменного дутья и может быть использован в металлургии, а также в других отраслях промышленности для нагревания газообразных реагентов до высоких температур.
Известен воздухонагреватель доменной печи (Грес Л.П. Энергосбережение при нагревании доменного дутья. - Днепропетровск: Пороги, 2004, с.5, рис 1), содержащий металлический кожух, огнеупорную футеровку, купол, камеру насадки из огнеупорных элементов, поднасадочное устройство, встроенную камеру горения с горелкой и штуцерами для подвода воздуха и топлива, вертикальная шахта которой отделена от камеры насадки огнеупорной стенкой, штуцера для отвода горячего дутья, подвода холодного дутья, отвода дымовых газов и переключающую арматуру. При этом насадка размещена на поднасадочном устройстве, штуцер для отвода горячего дутья установлен в нижней части камеры горения над горелкой, а штуцера для подвода холодного дутья и отвода дымовых газов установлены в нижней части воздухонагревателя на боковой поверхности кожуха и соединены с поднасадочным пространством воздухонагревателя.
К недостаткам такого воздухонагревателя можно отнести низкую эффективность нагрева дутья и, собственно, недостаточно высокую температуру горячего дутья на выходе из воздухонагревателя, что обусловливается небольшой тепловоспринимающей поверхностью насадки из-за необходимости размещения в ограниченном внутреннем объеме воздухонагревателя встроенной вертикальной шахты камеры горения и поднасадочного пространства, "короткими" замыканиями камеры горения, т.е. перетоками дымовых газов из камеры горения в насадку через разделительную огнеупорную стенку, а также повышенными тепловыми потерями с поверхности аппарата от увеличенного объема поднасадочного пространства и купола. Кроме того, в аналоге из-за конденсации паров воды на внутренней стенке металлического кожуха наблюдаются процессы межкристаллической коррозии металлического кожуха, аналог также характеризуется недостаточной стойкостью к разрушению и значительной металлоемкостью.
3
Наиболее близким к заявляемому объекту по технической сущности и результату, который может быть получен при его использовании, является выбранный в качестве прототипа воздухонагреватель доменных печей (Авт.св. СССР №926017, МПК С21В 9/02, опубл. 07.05.82), содержащий металлический кожух, огнеупорную футеровку, купол, кольцевую камеру горения с многослойной кольцевой горелкой и штуцерами для подвода воздуха и топлива, камеру насадки из огнеупорных элементов, поднасадочное устройство, штуцера для отвода горячего дутья, подвода холодного дутья, отвода дымовых газов и переключающую арматуру. При этом кольцевая камера горения выполнена в виде кольцевой полости, образованной кромкой верхней части камеры насадки и куполом, и открытая в подкупольное наднасадочное пространство, штуцер для отвода горячего дутья размещен на куполе воздухонагревателя, насадка размещена на поднасадочном устройстве, а штуцера для подвода холодного дутья и отвода дымовых газов размещены в нижней части воздухонагревателя и соединены с его поднасадочным пространством.
К недостаткам прототипа можно отнести низкую эффективность нагрева дутья и, собственно, недостаточно высокую температуру горячего дутья на выходе из воздухонагревателя, что обуславливается недостаточной эффективностью нагрева насадки из-за использования короткофакельной кольцевой горелки с подводом горячего теплоносителя в наднасадочное пространство. При этом необходимость отвлечения значительного объема воздухонагревателя по прототипу для организации поднасадочного и наднасадочного пространства обуславливает, при неизменных габаритах воздухонагревателя, уменьшение его тепловоспринимающей поверхности (объема насадки), а соответственно приводит к снижению эффективности нагрева дутья. Кроме того, увеличенный объем поднасадочного пространства и купола, размещение кольцевой камеры горения между насадкой и куполом обусловливает повышенные тепловые потери с поверхности аппарата. При этом в прототипе из-за конденсации паров воды на внутренней стенке кожуха наблюдаются процессы межкристаллической коррозии металлического кожуха, а оборудование прототипа многосопловой кольцевой горелкой и ее расположение между куполом и насадкой усложняет процесс обслуживания такой горелки и эксплуатации воздухонагревателя в целом. Кроме того, прототип характеризуется недостаточной стойкостью к разрушению и значительной металлоемкостью.
В основу заявляемого объекта поставленна техническая задача создать такой воздухонагреватель доменной печи, в котором усовершенствования путем введения новых элементов и новых связей между элементами позволяют обеспечить достижение технического результата, заключающегося в повышении эффективности нагрева дутья и повышении температуры горячего дутья на выходе из воздухонагревателя при снижении тепловых потерь, в более полном использовании внутреннего объема воздухонагревателя за счет увеличения его тепловоспринимающей поверхности, а также в повышении надежности работы, упрощении эксплуатации, обслуживания и уменьшении металлоемкости воздухонагревателя в целом.
Поставленная задача достигается за счет того, что в воздухонагревателе доменной печи, содержащем кожух, огнеупорную футеровку, купол, кольцевую камеру горения с горелкой и штуцерами для подвода воздуха и топлива, камеру насадки из огнеупорных элементов, штуцера для отвода горячего дутья, подвода холодного дутья, отвода дымовых газов и переключающую арматуру, согласно заявляемому техническому решению насадка выполнена из нескольких ярусов огнеупорных элементов и установлена в нижней части воздухонагревателя на его подине. При этом в нижней части воздухонагревателя между нижней частью нижнего яруса насадки и футерованным кожухом у подины воздухонагревателя образован кольцевой канал для подвода горячего дутья к штуцеру горячего дутья. Полость указанного кольцевого канала с внешней стороны ограничена футерованным цилиндрическим кожухом, снизу ограничена кладкой подины, а с внутренней стороны ограничена огнеупорными элементами нижнего яруса насадки, которые по высоте воздухонагревателя размещены, например, путем ступенчатой кладки. Кроме того, в воздухонагревателе кольцевая камера горения размещена в нижнем ярусе насадки выше кольцевого канала для подвода горячего дутья к штуцеру горячего дутья и выполнена в виде кольцевого тоннеля, полость которого образована, например, ступенчатой кладкой огнеупорных элементов нижнего яруса насадки. Штуцер для подвода холодного дутья и штуцер для отвода дымовых газов размещены в верхней части воздухонагревателя над камерой насадки, а штуцер для отвода горячего дутья установлен в нижней части воздухонагревателя и сопряжен с кольцевым каналом.
В отдельных случаях изготовления заявляемый воздухонагреватель характеризуется тем, что штуцер для подвода холодного дутья может быть установлен на куполе по оси камеры насадки и оборудован рассекателем газовых потоков.
Кроме того, в отдельных случаях изготовления заявляемый воздухонагреватель может быть представлен в двух вариантах исполнения: только с основным кожухом или в сочетании основного и дополнительного кожухов.
В варианте исполнения заявляемого воздухонагревателя только с основным кожухом дымовые газы могут отводиться из наднасадочного пространства сначала через нижнюю часть штуцера для подвода холодного дутья, а затем через штуцер для отвода дымовых газов, который сопряжен со штуцером для подвода холодного дутья и размещен, например, на его боковой стенке.
В варианте исполнения заявляемого воздухонагревателя с дополнительным кожухом дополнительный кожух может быть установлен сверху основного коаксиально к нему с образованием между основным и дополнительным кожухами полости, которая в нижней части воздухонагревателя соединена с дымовым боровом, а штуцер для отвода дымовых газов может быть установлен в надкупольный части основного кожуха между надкупольными частями основного и дополнительного кожухов и сопряжен своей нижней частью с наднасадочным пространством камеры насадки, а своей верхней частью с указанной полостью.
Между существенными признаками заявляемого воздухонагревателя и достигаемым техническим результатом существует такая причинно-следственная связь.
Размещение насадки на подине воздухонагревателя, организация в нижней части воздухонагревателя между насадкой и кожухом кольцевого канала для подвода горячего дутья к штуцеру горячего дутья, размещение кольцевой камеры горения в нижнем ярусе насадки выше кольцевого канала и ее выполнение в виде кольцевого тоннеля, а также размещение штуцера для подвода холодного дутья и штуцера для отвода дымовых газов в верхней части воздухонагревателя над камерой насадки, установка штуцера для отвода горячего дутья в нижней части воздухонагревателя и его сопряжение с кольцевым каналом позволяет не использовать поднасадочное устройство, уменьшить объем наднасадочного пространства, увеличить тепловоспринимающую поверхность насадки без изменения габаритов воздухонагревателя, организовать горение топливовоздушной смеси непосредственно в теле насадки, организовать в нижнем ярусе насадки высокотемпературную зону с горизонтальным и вертикальным распространением теплоты за окружностью насадки восходящими потоками вверх, нисходящими потоками вниз и горизонтальными потоками к центру насадки, а также организовать процесс нагревания дутья путем прохождения холодного дутья нисходящим потоком сверху вниз от наднасадочного пространства через насадку и кольцевой канал к штуцеру горячего дутья, что, в свою очередь, обеспечивает повышение коэффициента полезного действия воздухонагревателя, повышение температуры горячего дутья на выходе из воздухонагревателя, а также позволяет повысить надежность работы, упрощение эксплуатации, обслуживания и уменьшение металлоемкости воздухонагревателя.
В варианте исполнения воздухонагревателя только с основным кожухом установка штуцера для подвода холодного дутья на куполе по оси камеры насадки, его оборудование рассекателем газовых потоков, а также сопряжение штуцера для отвода дымовых газов со штуцером для подвода холодного дутья позволяет сократить количество отверстий в куполе, повысить его прочность, отводить дымовые газы через нижнюю часть штуцера для подвода холодного дутья при закрытом клапане холодного дутья, повысить эффективность отвода дымовых газов и подвода холодного дутья, упростить процесс эксплуатации и обслуживания, уменьшить металлоемкость и повысить надежность и долговечность работы воздухонагревателя. Кроме того, обеспечивается равномерный отвод дымовых газов и равномерное распределение холодного дутья по всему сечению насадки, что, в свою очередь, обеспечивает повышение эффективности нагревания дутья и более полное использование внутреннего объема воздухонагревателя.
В варианте исполнения воздухонагревателя с дополнительным кожухом, который установлен коаксиально основному кожуху с образованием между кожухами полости, установка штуцера для отвода дымовых газов в надкупольной части основного кожуха между основным и дополнительным кожухами, нижняя часть которого соединена с наднасадочным пространством камеры насадки, а верхняя часть соединена с указанной полостью, обеспечивает сопряжение наднасадочного пространства с указанной полостью и позволяет организовать отвод дымовых газов из наднасадочного пространства через штуцер в полость между кожухами и в дымовой боров, что, в свою очередь, обеспечивает постоянное подогревание основного кожуха дымовыми газами по всему сечению полости, снижение колебаний температуры кожуха при переходе с режима "нагрев насадки" на режим "нагревание дутья", уменьшение тепловых потерь в силу того, что основной кожух никогда не охлаждается ниже температуры отходящих дымовых газов (температура дымовых газов не менее 150°С). Кроме того, организация указанной полости и отвод дымовых газов через нее обеспечивает повышение эффективности нагрева горячего дутья и повышение температуры горячего дутья на выходе из воздухонагревателя при снижении тепловых потерь, предотвращение процессов межкристаллической коррозии, а следовательно, повышает надежность и долговечность работы воздухонагревателя.
Сущность заявляемого объекта поясняется графическим материалом, где представлено на:
- фиг.1 - общий вид воздухонагревателя доменной печи, на котором в верхней части слева от вертикальной оси представлена система отвода дымовых газов в воздухонагревателе без дополнительного кожуха, а справа - система отвода дымовых газов в воздухонагревателе с дополнительным кожухом;
- фиг.2 - сечение по А-А на фиг.1.
Заявляемый воздухонагреватель доменной печи содержит металлический кожух 1, на внутренней поверхности которого размещена огнеупорная футеровка 2, купол 3, камеру насадки, заполненную по высоте, например, в три яруса 4, 5 и 6 огнеупорными элементами с различной степенью огнеупорности, а также вертикальными и горизонтальными каналами для циркуляции газовых потоков, кольцевую камеру горения 7 с горелкой 8, которая оборудована штуцером 9 для подвода воздуха горения и штуцером 10 для подвода топлива, например доменного, природного, коксового газа или их смеси, штуцер 11 для подвода холодного дутья, расположенный в верхней части воздухонагревателя над верхним ярусом 4 насадки, штуцер 12 для отвода горячего дутья, который расположен в нижней части воздухонагревателя, и штуцер 13 (или 13') для отвода дымовых газов, который расположен в верхней части воздухонагревателя, а также клапаны 14 горелки 8, клапан 15 холодного дутья, клапан 16 горячего дутья и дымовой клапан 17 (или 17').
Нижний ярус 6 насадки установлен в нижней части на подине 18 воздухонагревателя, при этом каналы для циркуляции газовых потоков в нем выполнены с эквивалентным диаметром, который в несколько раз превышает эквивалентный диаметр указанных каналов в верхнем 4 и среднем 5 ярусах насадки, причем огнеупорные элементы в камере насадки размещены в три яруса так, чтобы верхний ярус 4 насадки был сформирован из элементов более низкой огнеупорности для организации в верхней части воздухонагревателя низкотемпературной зоны насадки, а нижний ярус 6 насадки чтобы был сформирован из элементов более высокой огнеупорности для организации в нижней части воздухонагревателя высокотемпературной зоны насадки.
В нижней части воздухонагревателя между нижней частью нижнего яруса 6 насадки и кожухом 1 у подины 18 воздухонагревателя выполнен кольцевой канал 19 для подвода горячего дутья к штуцеру 12 горячего дутья. При этом полость кольцевого канала 19 с внешней стороны (по внешнему радиусу) образована футерованным цилиндрическим кожухом 1, снизу образована кладкой подины 18, а с внутренней стороны образована огнеупорными элементами нижнего яруса 6 насадки, которые в конкретном примере изготовления заявляемого воздухонагревателя установлены, например, ступенчато по высоте воздухонагревателя со смещением от центра насадки к футеровке 2 и с выступанием нижней части элементов в полость канала 19 так, что по окружности каждый крайний огнеупорный элемент каждого последующего слоя нижней части нижнего яруса 6 насадки был положен на каждый крайний огнеупорный элемент каждого предыдущего слоя нижней части нижнего яруса 6 насадки с некоторым смещением в сторону футерованного кожуха 1 воздухонагревателя. Кроме того, геометрия и способ организации кольцевого канала 19 в различных вариантах изготовления заявляемого воздухонагревателя могут быть различными. При этом штуцер 12 для отвода горячего дутья установлен сбоку в нижней части воздухонагревателя и соединен с кольцевым каналом 19.
Кольцевая камера горения 7 размещена в нижнем ярусе 6 насадки выше кольцевого канала 19 и выполнена в виде кольцевого тоннеля, полость которого образована, например, ступенчатой кладкой огнеупорных элементов нижнего яруса 6 насадки. Полость камеры горения 7 может быть выполнена путем укладки огнеупорных элементов в нижнем ярусе 6 насадки так, чтобы в нем образовывалась полость кольцевой конфигурации, причем эта полость может быть выполнена так, чтобы в сечении иметь, например, треугольную форму 20, или арочную, или эллипсообразную, или ромбовидную, или любую другую.
Размещение насадки на подине воздухонагревателя, камеры горения 7, кольцевого канала 19 и штуцера 12 горячего дутья в нижней части воздухонагревателя, а штуцера 11 и штуцера 13 (или 13') в верхней части воздухонагревателя позволяет организовать высокотемпературную зону для нагревания дутья в нижней части воздухонагревателя, осуществлять нагревание насадки восходящим потоком дымовых газов, обеспечить обширное распространение теплоты во всех направлениях от камеры горения, а процесс нагревания дутья в насадке осуществлять нисходящим потоком при улучшении технологических параметров процесса нагревания насадки и, собственно, дутья в насадке при повышении температуры горячего дутья на выходе из воздухонагревателя, снижении тепловых потерь, повышении коэффициента полезного действия воздухонагреватели, а также при повышении надежности работы, упрощении эксплуатации, обслуживания и уменьшении металлоемкости воздухонагревателя в целом.
Штуцер 11 для подвода холодного дутья установлен на куполе 3 по оси камеры насадки, например, вертикально над насадкой, его нижняя часть входит на некоторое расстояние в наднасадочное пространство 21, а в верхней части установлен клапан 15. Кроме того, в наднасадочном пространстве 21 установлен рассекатель газовых потоков 22, который выполнен, например, в виде пластины, установленной горизонтально на некотором расстоянии от нижней открытой в наднасадочное пространство 21 части штуцера 11 и находится во взаимодействии с ним.
Воздухонагреватель, согласно заявляемому техническому решению, может быть представлен в двух вариантах исполнения: с использованием только основного кожуха 1 с установкой штуцера 13 с клапаном 17 (на фиг.1 верхняя часть воздухонагревателя слева от вертикальной оси штуцера 11) или с использованием основного 1 и дополнительного 23 кожухов с установкой штуцера 13' с клапаном 17' (на фиг.1 верхняя часть воздухонагревателя справа от вертикальной оси штуцера 11).
В случае использования заявляемого воздухонагревателя только с основным кожухом 1 (без дополнительного кожуха), воздухонагреватель оснащается штуцером 13 для отвода дымовых газов, который установлен в верхней части воздухонагревателя над куполом 3 и сопряжен со штуцером 11, например, путем его горизонтального подсоединения сбоку к верхней части штуцера 11. В этом случае штуцер 13, штуцер 11 и рассекатель 22 функционально объединены в одно устройство для подвода холодного дутья в наднасадочное пространство 21 и для отвода дымовых газов из наднасадочного пространства 21 через нижнюю часть штуцера 11 и штуцер 13 (на фиг.1 верхняя часть воздухонагревателя слева от вертикальной оси штуцера 11).
В случае использования заявляемого воздухонагревателя с основным 1 и дополнительным 23 кожухами (на фиг.1 верхняя часть воздухонагревателя справа от вертикальной оси штуцера 11), такой дополнительный кожух 23 устанавливается коаксиально основному кожуху с образованием между основным и дополнительным кожухами полости 24, причем нижняя часть дополнительного кожуха 23 от участка размещения горелки 8 выполнена расширяющейся книзу и соединена с дымовым боровом 25. В таком варианте исполнения воздухонагреватель вместо штуцера 13 с клапаном 17 оборудуется штуцером 13' с клапаном 17', который устанавливается, например, вертикально в надкупольной части 26 основного кожуха 1 между надкуполными частями кожуха 1 и кожуха 23 с некоторым смещением от оси камеры насадки, а не на штуцере 11, как в варианте исполнения воздухонагревателя без дополнительного кожуха 23, и сопряжен своей нижней частью с наднасдочным пространством 21 камеры насадки, а своей верхней частью с полостью 27 между надкупольными частями основного 1 и дополнительного 23 кожухов. При этом подвод холодного дутья осуществляется через штуцер 11 с клапаном 15 и рассекатель 22, а отвод дымовых газов осуществляется через штуцер 13' с клапаном 17', полость 26 и 24 и дымовой боров 25 (на фиг.1 верхняя часть воздухонагревателя справа от вертикальной оси штуцера 11).
Заявляемый воздухонагреватель доменной печи работает следующим образом.
В режиме "нагревание насадки" при закрытых клапанах холодного 15 и горячего 16 дутья открывают дымовой клапан 17 (или клапан 17' в воздухонагревателе с дополнительным кожухом 23) и в заданном порядке клапаны 14 горелки 8. В камеру горения 7 к горелке 8 в штуцер 9 для подвода воздуха и штуцер 10 для подвода газа подводят воздух и газ, после чего зажигают горелку 8. После воспламенения газовоздушной смеси в тоннеле камеры горения 7 в заданном порядке устанавливают заданные расходы воздуха горения и топлива. Нагретые дымовые газы, огибая по кольцевой камере горения 7 нижний ярус 6 насадки, равномерно распределяются в разные стороны от очага возгорания. При этом из тоннеля камеры горения 7, который в сечении имеет, например, треугольную форму 20 со ступенчатым выступанием огнеупорных элементов в полость тоннеля, нагретые дымовые газы через вертикальные каналы, выполненные в нижнем ярусе 6 насадки, распространяются вверх и вниз в тело насадки, а через горизонтальные каналы распространяются по сечению воздухонагревателя к центру насадки. При этом распространение теплоты в теле насадки происходит во всех направлениях от камеры горения 7. Равномерно распределяясь по насадке, дымовые газы восходящим потоком нагревают ее для обеспечения необходимой температуры при горячем дутье и поднимаются в наднасадочное пространство 21.
Затем, в варианте исполнения воздухонагревателя без дополнительного кожуха 23 (на фиг.1 верхняя часть воздухонагревателя слева от вертикальной оси штуцера 11), дымовые газы из наднасадочного пространства 21, огибая рассекатель 22 газовых потоков, восходящим потоком поступают в нижнюю, находящуюся в наднасадочном пространстве, часть штуцера 11 и отводятся через дымовой штуцер 13 с клапаном 17. В варианте исполнения воздухонагревателя с дополнительным кожухом 23 (на фиг.1 верхняя часть воздухонагревателя справа от вертикальной оси штуцера 11) дымовые газы из наднасадочного пространства 21 восходящим потоком поступают через штуцер 13' с клапаном 17' в надкупольный зазор 27 между кожухами 1 и 23 заполняют указанный зазор и, распределяясь, нисходящим потоком отводятся через полость 24 в дымовой боров 25. Укрытие основного кожуха 1 дополнительным кожухом 23 обеспечивает уменьшение тепловых потерь и предотвращает охлаждение основного кожуха 1 ниже температуры конденсации водяного пара (температура дымовых газов не менее 150°С), что полностью исключает процессы межкристаллической коррозии основного кожуха 1.
При достижении необходимой температуры нагрева насадки или температуры дымовых газов в наднасадочном пространстве 21 воздухонагреватель переводят в режим "нагревание дутья". При переходе в заданном порядке закрывают клапаны 14 горелки 8, дымовой клапан 17 (или клапан 17' в воздухонагревателе с дополнительным кожухом 23), после чего открывают клапан 15 холодного дутья и клапан 16 горячего дутья.
Холодное дутье нисходящим потоком поступает в штуцер 11, столкнувшись с рассекателем 22 газовых потоков, обтекает его и, равномерно распределяясь по всему сечению наднасадочного пространства, поступает в тело насадки, нагревается от нее до необходимой температуры горячего дутья, опускаясь к подине 18, входит в кольцевой канал 19 и через штуцер 12 для отвода горячего дутья направляется в доменную печь.