МНОГОСТРУЙНАЯ ТРУБЧАТО-ЩЕЛЕВАЯ ГОРЕЛКА Российский патент 1996 года по МПК F23D14/00 

Предполагаемое изобретение относится к энергетике и может быть использовано при сжигании коксодоменной смеси в горнах агломерационных и обжиговых машин для равномерного зажигания и нагрева шихты по всей ширине аглоленты.

Из известных технических решений, обеспечивающих равномерность зажигания и нагрева аглошихты, получили распространение плоскопламенные горелки, устанавливаемые на своде горна. Факел в этих горелках формируется многослойным, настильным, перемещающимся сверху вниз, что позволяет при достаточном количестве таких сводовых горелок обеспечить создание равномерного температурного поля по всей площади зеркала горна (а. с. СССР N 908872 кл. С 22 В 1/16, 1982 г.).

Известны горелочные устройства для подачи и беспламенного сжигания газа, устанавливаемые над слоем шихты горизонтально до середины обжиговых тележек с двух боковых сторон горна в шахматном порядке. Конструкция этих устройств обеспечивает равномерное истечение однородной газовоздушной смеси из щели, расположенной снизу корпуса горелки на всю его длину. Благодаря этому происходит более или менее равномерный обжиг шихты по всей ширине обжиговых тележек. (а. с. СССР N 627297 кл. 2 F 23 D 13/00, F 27 B 21/00, 1978 г.).

Для повышения равномерности тепловой обработки слоя и уменьшения объема горна фирмой Kawasaki SteeL Corp на заводе Chiba внедрены горелки, в которых зажигание шихты осуществляется через многощелевое сопло. Пламя в этих горелках получается равномерным по ширине аглоленты, может быть достаточно коротким, а высота и наклон горелки легко изменяются, если возникает такая необходимость ("Тэцу то хаганэ, I. Iron and SteeL Inst. Jap.", 1985, 71 N 16, 1895-1902).

Наиболее близким техническим решением из известных к заявленной горелке может служить зажигающее устройство для агломашины, обеспечивающее равномерный нагрев шихты по всей ширине аглоленты путем подачи газа по внутренней, а воздуха по наружной трубе при установке их поперек горна. Обе трубы имеют ряд отводов по всей их длине с направлением на ленту. В отводах имеются отверстия для выхода газа и воздуха, причем эти отверстия располагаются таким образом, что истекающие из них струи газа и воздуха сталкиваются между собой и перемешиваются. Скорость истечения газа и воздуха из всех отверстий поддерживается одинаковой за счет равномерного давления внутри труб по всей длине, обеспечиваемого распределением нескольких подводов газа и воздуха по длине труб. (Патент США N 4547146, МКИ F 23 C 5/08, 1985 г. прототип).

Для устойчивой и надежной работы данного горелочного устройства для агломашины требуется поддерживать давление газа и, в особенности, воздуха под горелкой не ниже 500 мм вод. ст. При меньших значениях давления значительно снижается скорость истечения газа, воздуха из многочисленных отверстий в отводах газовой и воздушной труб, что ухудшает взаимное смешение газа и воздуха, а значит снижается и качество горения.

Кроме того, если падает давление газа, происходит смещение факелов к газовым отводам, если падает давление воздуха, факела смещаются ближе к воздушным отводам, и в том и другом случае может наблюдаться их повышенный разогрев, что может привести к преждевременному выходу из строя горелочного устройства.

Другим недостатком известного горелочного устройства для зажигания аглошихты в горне агломашины является его непригодность для работы на коксодоменном газе, так как наличие в нем таких примесей, как пары нафталина, различных смолистых веществ, частиц пыли, влаги, может привести к закупорке многочисленных мелких отверстий в газоотводах, и в некоторых случаях даже в воздухоотводах при достаточной запыленности и влажности подаваемого на горелочное устройство воздуха.

Одним из недостатков работы горелки является и необходимость тщательной наладки и регулировки для получения оптимально возможного перемешивания многочисленных струек газа и воздуха.

Целью изобретения является расширение диапазона устойчивой работы и предела регулирования по коэффициенту избытка воздуха горелочного устройства для зажигания аглошихты в горне агломерационной машины по всей ширине аглоленты, в том числе и при сжигании коксодоменного газа или других с содержанием конденсата, повышение эффективности сжигания газа, стабильности горения и эксплуатационной надежности.

Поставленная цель достигается тем, что в предлагаемой многоструйной трубчато-целевой горелке, корпус которой представляет собой металлический прямоугольный щелевидный короб, сверху которого по центру имеется патрубок для подвода вторичного воздуха, внутри размещены два трубчатых коллектора, один в другом соосно корпусу, один из которых (внутренний) является газовым и снабжен газоподводящими патрубками и газовыпускными соплами, располагаемыми в нижней части коллектора продольными рядами, другой (внешний) является воздушным и снабжен патрубками для подвода первичного воздуха и радиально направленными отверстиями, сгруппированными в продольные ряды как между рядами газовыпускных сопл и вокруг из крайних рядов, так и соосно с ними в промежутках между газовыпускными соплами.

Газовыпускные сопла располагаются по крайней мере не менее чем двумя продольными рядами равномерно между собой на всю длину газового коллектора и радиально направленными к его центральной оси с углом раскрытия между собой 15^°≅ α ≅ 90^° и с высовом наружу воздушного коллектора через сквозные радиальные отверстия на расстояние не более 1/2 и не менее 1/3 величины зазора между газовым и воздушным коллекторами.

Отверстия для истечения воздуха в воздушном коллекторе располагаются продольными рядами таким образом, что охватывают каждый ряд газовыпускных сопл равномерно с каждой стороны и сами сопла в каждом ряду, причем в продольных рядах, охватывающих ряды газовыпускных сопл их в 2 раза больше, чем в рядах между газовыпускными соплами.

Как газовыпускные сопла, так и воздушные отверстия располагаются соосно относительно друг друга и между собой в шахматном порядке.

Для изменения направления истечения пограничных с боковыми стенками корпуса слоев потока вторичного воздуха к центру горелки по боковым стенкам внутри корпуса установлены воздухоотбойники из уголка на всю длину стенок и на уровне, ограниченном в пределе между нижними образующимися газового и воздушного коллекторов.

Воздушный коллектор с размещенным в нем соосно газовым коллектором установлен в целевом корпусе горелки на таком уровне от ее устья, что плоскости, образуемые векторами истечения газа из газовыпускных сопл крайних продольных рядов, пересекаются с плоскостями боковых стенок корпуса горелки не более и не далее как по их нижним образующим.

Конструкция предлагаемой согласно изобретения горелки сварная. Устанавливается горелка в подвесном своде зажигательного горна и благодаря тому, что щелевидный корпус горелки с его прямоугольными стенками изготовляется соразмерным с размерами подвесных сводовых кирпичей, такая установка не представляет большой сложности и не требует специального фасонного огнеупора.

Дополнительный поиск известных в науке и технике решений показал, что выдвинутые технические решения в предлагаемой многоструйной трубчато-щелевой горелке для достижения поставленных целей в известных решениях не обнаружены.

Следовательно, предложенная горелка отвечает критерию "существенные отличия".

На фиг. 1 в аксонометрии изображена предлагаемая горелка, на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1.

Горелка состоит из прямоугольного корпуса 1, в щелеобразном пространстве которого на всю его длину размещаются соосно корпуса горелки один в другом соответственно газовый трубчатый коллектор 2 и воздушный трубчатый коллектор 3. Газовый коллектор снабжен равномерно направленными к его оси газовыпускными соплами 4, которые располагаются в нижней части коллектора на всю его длину несколькими продольными рядами с углом раскрытия между собой не менее 15^o и не более 90^o и с высовом наружу воздушного коллектора через сквозные отверстия в нем на расстоянии и не более 1/2 и не менее 1/3 величины зазора между газовым коллекторами (на фиг. 1, 2 показано 3 ряда газовыпускных сопл). Газовыпускные сопла в каждом ряду расположены с одинаковым и равномерным между собой шагом. В нижней части воздушного коллектора находятся радиально направленные к его оси отверстия 5, располагаемые продольными рядами между рядами газовыпусных сопл и вокруг их крайних рядов, а также и в рядах газовыпускных сопл в промежутках между ними. Количество отверстий в продольных рядах, совпадающих с рядами газовыпускных сопл, в 2 раза меньше чем в рядах, расположенных между рядами газовыпускных сопл и вокруг их крайних рядов. Газовыпускные сопла и отверстия для истечения воздуха располагаются как между собой, так и относительно друг друга в шахматном порядке. Газовыпусканые сопла крайних рядов направлены под углом, совпадающим с нижними кромками боковых стенок щелевидного корпуса горелки. Подача газа в газовый коллектор осуществляется с помощью двух газоподводящих патрубков 6. Подвод воздуха в воздушный коллектор осуществляется также двумя патрубками 7. Через них подается первичный воздух для горения газа. Как газоподводящие, так и воздухоподводящие патрубки расположены равномерно в каждой половине соответствующих коллекторов. Вторичный воздух подается в корпус горелки сверху через патрубок 8, расположенный по центральной его оси. На уровне, ограничивающемя в пределах между нижними образующимися газового и воздушного коллекторов приварены внутри на всю длину боковых стенок корпуса горелки продольные воздухоотбойники 9, представляющие собой прямоугольные стальные уголки.

Предлагаемая многоструйная трубчато-щелевая горелка для сжигания коксодоменного газа в горнах агломерационных и обжиговых машин работает следующим образом.

Через патрубки 6 в газовый трубчатый коллектор 2 подается газ, откуда он равномерно через газовыпускные сопла 4 поступает в нижнюю часть щелевидного корпуса 1 горелки. Через патрубки 7 в воздушный трубчатый коллектор 3 подается первичный воздух с коэффициентом избытка не более 1,15. Далее через радиально выполненные отверстия 5 он поступает также в виде отдельных струй в нижнюю часть щелевидного корпуса 1 горелки.

Выходящие из газовыпускных сопел 4 газовые струи и истекающие из радиальных отверстий воздушного коллектора струи первичного воздуха в нижней части корпуса 1 горелки, раскрываясь под определенными углами, совмещаются и взаимно перемешиваются, т.е. здесь начинается процесс смесеобразования.

Через патрубок 8 в корпусе 1 горелки подается вторичный воздух, который, обтекая наружную поверхность воздушного трубчатого коллектора 3 с боков и торцов, поступает в нижнюю часть корпуса 1 горелки, где он подмешивается к ранее образовавшейся газовоздушной смеси. Значительная часть воздушного потока после прохождения через зазоры между боковыми стенками корпуса 1 горелки и наружной поверхностью воздушного коллектора 3 резко изменяет направление своего движения к центральной оси горелки, так как встречает на своем пути препятствия в виде продольных уголковых воздухоотбойников 9, приваренных внутри боковых стенок корпуса 1 горелки на уровне между нижними образующими газового и воздушного коллекторов 2, 3. Попадая в зону смешения в нижней части щелевидного корпуса 1 горелки, турбулизированный таким образом поток вторичного воздуха существенно интенсифицирует процесс смесеобразования.

На выходе из устья многоструйной трубчато-щелевой горелки происходит воспламенение образовавшейся газовоздушной смеси.

Истечение газа через газовыпускные сопла сгруппированными продольными рядами равномерно между собой на всю длину газового коллектора и радиально направленными к его центральной оси с углом раскрытия между собой 15^°≅ α ≅ 90^° обеспечивает свободное развитие каждой струи газа и достижение достаточной глубины проникновения их в воздушный поток.

Величина высова газовыпускных сопл через сквозные радиальные отверстия в воздушном коллекторе на расстояние, равное 1/3-1/2 величины зазора между газовым и воздушным коллекторами определена конструктивным расчетом горелки из условий получения устойчивой зоны смешения в нижней части корпуса горелки. При значениях более 1/2 зона смешения удлиняется, что может несколько вытянуть факел, а это нежелательно для предлагаемой горелки при использовании ее в свободном отоплении зажигательных горнов агломерационных машин, так как в случае возможного химического недожога газа в слой спекаемой шихты могут попасть продукты неполного сгорания, что ухудшит условия ее зажигания и дальнейшего спекания. При значениях величины высова сопел менее 1/3 величины воздушного зазора между воздушным и газовым коллекторами, наоборот, возможно утягивание зоны смешения внутрь щелевидного корпуса горелки и перемещение фронта воспламенения вплотную к устью горелки, что может привести к нежелательному перегреву нижних кромок боковых стенок корпуса горелки и, как следствие, их коробление.

Расположение отверстий для истечения струй воздуха таким образом, что они вкруговую равномерно охватывают каждое газовыпускное сопло, и в тоже время размещение как самих газовыпускных сопл, так и воздуховыпускных отверстий в шахматном порядке как между собой, так и относительно друг друга, гарантирует достаточную сплошность взаимонасыщение газовых и воздушных струй и равномерность смесеобразования на всю длину предлагаемой многоструйной трубчато-щелевой горелки.

Установка воздушного коллектора с соосно размещенным в нем газовым коллектором внутри щелевого корпуса горелки на таком уровне от устья горелки, что плоскости, образуемые векторами истечения газа из газовыпускных сопел крайних продольных рядов, пересекаются с плоскостями боковых стенок корпуса горелки не более и не далее как по их нижним образующим, дает гарантию от случая возможного перегрева стенок корпуса горелки в его нижней части.

По условиям агломерации в горновых газах должно быть достаточное количество кислорода, чтобы обеспечить горение твердого топлива аглошихты. Поэтому при отоплении зажигательных горнов коксодоменной смесью коэффициент расхода воздуха поддерживают в пределах 2,4-4,2. В предлагаемой согласно изобретения многоструйной трубчато-щелевой горелке необходимый коэффициент расхода воздуха регулируется подачей вторичного воздуха.

Конструктивно-техническое решение подачи вторичного воздуха обеспечивает постоянное охлаждение стенок щелевидного корпуса горелки при нагреве их снаружи окружающими сводовыми кирпичами.

Использование многоструйной трубчато-щелевой горелки предлагаемой конструкции позволит расширить диапазон регулирования, обеспечить устойчивую и надежную работу при уменьшении давления воздуха и газа перед горелкой до 200-250 мм вод. ст. гарантирует эффективное сжигание искусственных газообразных топлив, содержащих конденсат и некоторое количество попутных примесей, остающихся при некачественной очистке газов. Предлагаемая согласно изобретения горелка проходит опытно-промышленные испытания на второй аглофабнике АО "Северсталь" (г. Череповец) на одной из агломашин, где вместо 15 сводовых горелок типа ГНП-7 будет установлено всего две многоструйные трубчато-щелевые горелки производительностью до 2000 м³/ч коксодоменного газа.

Конкретный пример исполнения заявленной горелки:
диаметр и количество газоподводов 133 x 4 мм, 2 шт.

диаметр и количество воздухоподводов I воздуха 159 x 4,5 мм, 2 шт.

диаметр и количество воздухоподводов II воздуха 273 x 7 мм, 1 шт.

диаметр и длина газового коллектора 159 x 4,5 мм; 2550 мм;
диаметр и длина воздушного коллектора 219 x 5 мм; 2600 мм;
количество рядов газовыпускных сопел 3;
угол раскрытия между ними 30^o;
общий угол раскрытия между крайними рядами 60^o;
диаметр и длина газовыпускных сопл 20 x 2,5 мм 50 мм;
высов газовыпускных сопел наружу воздушного коллектора 12 мм;
шаг между соплами 100 мм;
количество сопл в центральном ряду 25 шт.

количество сопл в крайних рядах 26 шт.

общее количество газовыпускных сопл 77 шт.

количество рядов отверстий для истечения I воздуха 7;
в том числе соосных с рядами газовыпускных сопл 3;
угол раскрытия между ними 15^o;
общий угол раскрытия между крайними рядами 90^o;
диаметр и количество отверстий в соосных рядах 10 мм и (26 х 2 + 25) шт.

диаметр и количество отверстий в крайних рядах и рядах между рядами газовыпускных сопел 12 мм и (52 х 4) шт.

шаг между отверстиями в рядах, соосных с рядами газовыпускных сопел - 100 мм;
шаг между отверстиями в крайних рядах и рядах между рядами газовыпускных сопел 50 мм;
длина и профиль воздухоотбойников 2643 мм и уголок N 4, 5;
установочный размер воздухоотбойников от устья горелки 180 мм;
установочный размер по нижней образующей воздушного коллектора от устья горелки 135 мм;
размеры корпуса горелки 2650 х 300 х 450 мм;
габаритные размеры горелки 2650 х 370 х 600 мм;
масса горелки 220 кг;
Данные конструктивные размеры обеспечивают соответствие обобщенным признакам заявленной горелки в порядке их перечисления в формуле изобретения.

Использование: при сжигании коксодоменной смеси в горнах агломерационных и обжиговых машин для равномерного зажигания и нагрева шихты по всей ширине аглоленты. Сущность изобретения: горелка состоит из прямоугольного корпуса 1, в щелеобразном пространстве которого на всю его длину размещаются соосно корпуса горелки одни в другом соответственно газовый трубчатый коллектор 2 и воздушный трубчатый коллектор 3. Газовый коллектор 2 снабжен равномерно направленными к его оси газовыпускными соплами 4, которые располагаются в нижней части коллектора на всю его длину несколькими продольными рядами с углом раскрытия между собой не менее 15^o и не более 90^o, при этом сопла выступают наружу из воздушного коллектора через сквозные отверстия в нем на расстояние не болеe 1/2 и не менее 1/3 величины зазора между газовым и воздушным коллекторами. Газовыпускные сопла в каждом ряду расположены с одинаковым и равномерным между собой шагом. В нижней части воздушного коллектора находятся радиально направленные к его оси отверстия 5, располагаемые продольными рядами между рядами газовыпускных сопел и вокруг их крайних рядов, а также и в рядах газовыпускных сопел в промежутках между ними. Количество отверстий в продольных рядах, совпадающих с рядами газовыпускных сопел, в 2 ряда меньше чем в рядах, расположенных между рядами газовыпускных сопел и вокруг их крайних рядов. Газовыпускные сопла и отверстия для истечения воздуха располагаются как между собой, так и относительно друг друга в шахматном порядке. Газовыпускные сопла крайних рядов направлены под углом, совпадающим с нижними кромками боковых стенок щелевидного корпуса горелки. 4 з. п. ф-лы, 2 ил.

1. Многоструйная трубчато-щелевая горелка, содержащая снабженный патрубком подвода вторичного воздуха прямоугольный щелевидный корпус, внутри которого размещен трубчатый газовый коллектор с газоподводящими патрубками и газовыпускными соплами, расположенными снизу продольными рядами, и расположенный вокруг него соосно корпусу трубчатый воздушный коллектор с патрубками подвода первичного воздуха и радиальными отверстиями, расположенными продольными рядами между рядами газовыпускных сопел и вокруг их крайних рядов и соосно с ними в промежутках между газовыпускными соплами, отличающаяся тем, что газовыпускные сопла расположены по меньшей мере двумя продольными рядами равномерно между собой на всю длину газового коллектора и радиально направлены к его центральной оси с углом раскрытия между собой 15^°≅ α ≅ 90^° и выведены наружу за пределы воздушного коллектора через сквозные радиальные отверстия на расстоянии не менее 1/3 и не более 1/2 величины зазора между газовым и воздушным коллекторами. 2. Горелка по п. 1, отличающаяся тем, что радиальные отверстия воздушного коллектора расположены продольными рядами с охватом каждого ряда газовыпускных сопел равномерно с каждой стороны и самих сопел в каждом ряду, причем в продольных рядах, находящихся между рядами газовыпускных сопел, их в 2 раза больше, чем в продольных рядах, совпадающих с рядами газовыпускных сопел. 3. Горелка по п. 1, отличающаяся тем, что газовыпускные сопла и отверстия в воздушном коллекторе расположены соосно относительно друг друга и между собой в шахматном порядке. 4. Горелка по п. 1, отличающаяся тем, что по боковым стенкам внутри корпуса установлены уголковые воздухоотбойники на всю длину стенок на уровне в пределах между нижними образующими газового и воздушного коллекторов. 5. Горелка по п. 1, отличающаяся тем, что воздушный коллектор с соосно размещенным в нем газовым коллектором установлены внутри щелевого корпуса горелки на расстоянии от устья горелки с пересечением плоскости, образуемой векторами истечения газа из газовыпускных сопел крайних продольных рядов с плоскостями боковых стенок корпуса горелки по их нижним образующим.