МНОГОСОПЛОВАЯ РЕКУПЕРАТИВНАЯ ТРУБЧАТАЯ ГОРЕЛКА Российский патент 1998 года по МПК F23D14/00 

Изобретение относится к горелочным устройствам для сжигания газообразного топлива и может быть использовано в черной металлургии, в частности для подогрева агломерационной шихты в барабанах окомкователях при подготовке ее к дальнейшему спеканию на агломерационных машинах.

Известно горелочное устройство, которое используется для подогрева аглошихты в барабанных окомкователях, устанавливается со стороны разгрузки в нижней половине торцевой стенки разгрузочной камеры со смещением на 45^o в сторону вращения барабана и представляет собой газовую горелку направленного действия ГНД-1500, в которой через газоподводящий коллектор, оканчивающийся соплом, газ подается в специальную полусферическую насадку, а воздух поступает через воздухоподводящую трубу и через воздушный завихритель аксиально-лопаточного типа, расположенный в кольцевом зазоре между газоподводящим коллектором и воздухоподводящей трубкой, получает вращательное движение. Из газовой насадки через щелевые отверстия, выполненные в виде секторов, газ с углом раскрытия 30^o плоскими струйками врезается в закрученный поток воздуха под углом 30 - 60^o, где происходит интенсивное смесеобразование и начинается процесс горения. Благодаря конструктивно подобранному количеству щелевых отверстий в газовой насадке образующийся факел основную направленность получает на ту часть внутренней поверхности барабана окомкователя, на которой формируется постоянно пересыпающийся слой аглошихты при вращении барабана, что обеспечивает наибольшую теплоотдачу от факела, а значит, и максимально возможный коэффициент использования тепла, получаемого при сжигании газа в горелке ГНД-1500 (Журнал "Сталь" N 7, с. 7 - 9, 1995 - прототип).

С помощью известных горелок типа ГНД-1500 успешно был освоен предварительный подогрев агломерационной шихты в барабанных окомкователях агломашин на третьей аглофабрике АООТ "Северсталь" (г. Череповец). Цель и задачи, которые ставились при внедрении этих горелок, были достигнуты. Однако, в процессе более чем трехлетнего периода эксплуатации этих горелок в барабанных окомкователях, были выявлены и некоторые недостатки в их работе.

Одним из недостатков является необходимость поддержания достаточно большого расхода газа на горелку, чтобы обеспечить подогрев аглошихты до 65 - 70^oC. Так, например, для агломашины типа АКМ-312 с двумя барабанными окомкователями 0,65 - 3,3•12,5 для получения нижнего и верхнего слоев спекания этот расход газа составляет до 30% от общего расхода газа на отопление горна.

Другим недостатком в работе горелки является то, что несмотря на достаточно близкое приближение факела к слою шихты, значительная часть тепла путем излучения от факела и конвективного теплообмена от образующихся продуктов сгорания передается верхней части барабана, не защищенной слоем шихты, что приводит к нежелательному разогреву кожуха барабана и большим тепловыделениям в цех с его поверхности.

Так как выходное сопло горелки ГНД-1500 подвержено воздействию пересыпающегося слоя шихты, то возможно явление образования налипшего слоя из частиц окомковываемой аглошихты, которые задерживаются на поверхности верхней части сопла горелки при обрушении отдельных комков аглошихты сверху с внутренней поверхности барабана и при сходе верхних горизонтов пересыпающегося слоя шихты вниз. Постепенно засоряются и газовыпускные щелеобразные отверстия в газовой насадке, которые расположены в ее верхней части, что ухудшает смесеобразование, процесс горения и, кроме этого, снижается эффективность теплоотдачи верхней части пересыпающегося слоя аглошихты, а значит и эффективность предварительного подогрева аглошихты в окомкователе. Устройство сверху над соплом и устьем горелки различного рода защитных козырьков, отражателей, навесов и т.п. каким-то образом решает проблему, однако, от воздействия высоких температур и статических нагрузок, возрастающих по мере налипания на них падающих частиц и отдельных комков аглошихты, все эти предохранительные устройства быстро выходят из строя и их приходится периодически восстанавливать или ставить новые каждый раз во время планово-предупредительных ремонтов агломашины, что, безусловно, связано с дополнительными затратами.

В случаях, когда закупоривались газовыпускные отверстия в насадке и закоксовывался внутри он сам, и невозможно было почистить насадок и отверстия в нем механическим путем, были вынуждены несколько раз за время работы горелки ставить новые газовые насадки.

Все эти недостатки были выявлены за время эксплуатации горелок ГНД-1500 в барабанных окомкователях аглошихты на агломерационных машинах АКМ-312 третьей аглофабрики АООТ "Северсталь".

Целью предлагаемого изобретения является повышение экономичности и эксплуатационной надежности горелки.

Поставленная цель достигается тем, что в горелке, которая состоит из цилиндрического корпуса с воздухоподводящим патрубком, газового трубчатого коллектора, соосно размещенного внутри цилиндрического корпуса и аксильно-лопаточного воздушного завихрителя, установленного в кольцевом зазоре между корпусом горелки и газовым коллектором, коаксиально с газовым коллектором, согласно предложенному, после завихрителя воздуха установлен сопряженный с помощью трубного перехода с газовым трубчатым коллектором воздушный коллектор, который снабжен, по крайней мере не менее, чем тремя продольными рядами радиально направленных сопел с углом раскрытия между ними 15^o≤ α ≤30^o, имеющих боковое нижнее расположение, где крайний верхний ряд размещен не выше горизонтальной оси горелки, а нижний со смещением от вертикальной оси горелки на 15^o в ту или иную сторону, а сами сопла установлены с некоторым высовом наружу цилиндрического корпуса горелки на расстояние, не превышающее наружный диаметр самих сопел, причем внутри воздушных сопел установлены с небольшим заглублением внутрь газовыпускные сопла от газового трубчатого коллектора.

В зоне расположения сопел, соосно с вертикальной осью горелки установлен вдоль верхней части цилиндрического корпуса горелки уголковый козырек, который образует с корпусом горелки полый канал, имеющий сообщение с кольцевым зазором между корпусом горелки и воздушным коллектором через ряд равномерно расположенных между собой радиальных отверстий по верхней образующей цилиндрического корпуса горелки и с кольцевым зазором между воздушным и газовым коллектором через радиально установленные трубчатые патрубки, которые располагаются двумя продольными рядами симметрично относительно вертикальной оси горелки и в достаточном приближении к месту сопряжения боковых стенок уголкового козырька с поверхностью цилиндрического корпуса горелки.

Воздушный коллектор дополнительно снабжен радиальными отверстиями, с помощью которых он сообщается с кольцевым зазором между ним и цилиндрическим корпусом горелки. Эти отверстия располагаются равномерно между собой продольными рядами со стороны, противоположной размещению воздушных сопел и симметрично им.

В цилиндрическом корпусе горелки, в продольных рядах огневых сопел выполнены радиальные отверстия для подачи вторичного воздуха на горение. Отверстия располагаются по два между огневыми соплами и равноудаленно как между собой, так и от самих сопел.

Торец горелки по центральной оси снабжен дополнительным соплом с подачей газа от газового коллектора через газовое сопло, выходящее своим устьем в круглое отверстие большего диаметра в торцевой стенке цилиндрического корпуса горелки, которое обрамлено цилиндрическим насадком длиной не более его внутреннего диаметра (калибра) и имеющим на выходе скос кромок внутрь в 60^o.

На фиг. 1 изображена многосопловая рекуперативная трубчатая горелка, вид сверху; на фиг. 2 - вид сбоку с продольным разрезом А-А; на фиг. 3 - 5 - поперечные разрезы Б-Б, В-В, Г-Г на фиг. 2.

Горелка состоит из цилиндрического корпуса 1 с патрубком подвода воздуха 2, соосно размещенного в корпусе газового трубчатого коллектора 3, аксиально-лопаточного воздушного завихрителя 4, расположенного в кольцевом зазоре между корпусом горелки и газовым коллектором, воздушного коллектора 5, установленного коаксильно газовому коллектору между ним и корпусом горелки после завихрителя воздуха и сопряженного с газовым коллектором с помощью трубного перехода 6.

Воздушный коллектор снабжен радиально направленными соплами 7, сгруппированными в продольные ряды, имеющие боковое нижнее расположение и с углом раскрытия между собой в пределах 15 - 30^o, причем нижний ряд сопел смещен на 15^o от вертикальной оси в ту или иную сторону, а крайний верхний ряд устанавливается не выше горизонтальной оси горелки (на черт. горелка изображена с тремя рядами сопел с углом раскрытия между ними 30^o и с боковым смещением влево). Воздушные сопла выведены своими выходными концами наружу цилиндрического корпуса горелки, однако, на расстояние не более наружного диаметра самого сопла.

От газового трубчатого коллектора выведены в воздушные сопла газовыпускные сопла 8, которые размещаются внутри воздушных сопел с некоторым углублением.

В зоне размещения сопел корпус горелки сверху защищен козырьком уголкового типа 9, устанавливаемого соосно с вертикальной осью горелки и образующего с корпусом горелки замкнутый по торцам полый канал 10, который посредством радиально направленных отверстий 11, размещенных равномерно между собой по верхней образующей цилиндрического корпуса, сообщается с кольцевым зазором между корпусом горелки и воздушным коллектором и посредством радиально направленных трубчатых патрубков 12, равномерно расположенных между собой симметрично относительно вертикальной оси горелки и в достаточно близком приближении к месту стыковки боковых скатов уголкового козырька с поверхностью цилиндрического корпуса горелки, сообщается с кольцевым зазором между газовым и воздушным коллекторами.

Воздушный коллектор дополнительно сообщен с кольцевым зазором между им самим и газовым трубчатым коллектором с помощью радиально направленных отверстий 13, расположенных тремя продольными рядами равномерно между собой и со стороны, противоположной размещению воздушных сопел горелки, и симметрично им.

В цилиндрическом корпусе горелки выполнены радиально направленные отверстия 14, которые служат для подачи вторичного воздуха на горение. Расположены эти отверстия по два между соплами горелки соосно им и равноудаленно как от самих сопел, так и между собой.

По центру торцевой части горелки имеется огневое сопло с подачей газа от газового коллектора через газовое сопло 15, выходящее своим устьем в круглое отверстие 16 в центре торцевой заглушки цилиндрического корпуса горелки, которое в свою очередь имеет обрамление в виде цилиндрического насадка 17, длиной не более его внутреннего диаметра (калибра) и с внутренним скосом кромок под углом 60^o к его оси.

Конструкция предлагаемой согласно изобретению горелки сварная, изготавливается из листового металла и стандартных труб различного диаметра. Горелка устанавливается в торцевой стенке разгрузочной камеры окомкователя в специально вырезанное круглое отверстие ниже горизонтальной оси и со смещением от вертикальной оси в сторону, совпадающую с направлением вращения барабана.

Предлагаемая многосопловая рекуперативная трубчатая горелка для подогрева в барабанных окомкователях агломерационной шихты работает следующим образом.

Через воздухоподводящий патрубок 2 в цилиндрический корпус 1 горелки подается холодный воздух, который, проходя через лопатки аксиального воздушного завихрителя 4, получает интенсивное вращательное движение. Далее закрученный поток воздуха поступает в образованный цилиндрическим корпусом 1 горелки и воздушным коллектором 5 кольцевой зазор. Из кольцевого зазора воздух распределяется через радиально выполненный по верхней образующей цилиндрического корпуса 1 отверстия 11 в закрытую лопасть 10, образуемую уголковым козырьком 9, который установлен сверху цилиндрического корпуса 1 горелки через радиально направленные отверстия 13, выполненные тремя продольными рядами, в воздушный коллектор 5 через радиально направленные отверстия 14 в цилиндрическом корпусе 1 горелки в качестве вторичного воздуха на горение и через круглое отверстие 16 в торцевой стенке цилиндрического корпуса 1 горелки в цилиндрический насадок 17.

Подаваемый на горелку газ поступает в трубчатый газовый коллектор 3, откуда он истекает в газовыпускные сопла 8 тремя продольными рядами в боковой нижней части горелки и газовое сопло 15 в торцевой части горелки.

Часть цилиндрического корпуса 1 горелки, в которой располагается ее многосопловый участок, подвержена воздействию отходящих продуктов сгорания с температурой до 600^oC. Холодный воздух закрученным потоком омывает изнутри поверхность цилиндрического корпуса 1 горелки, охлаждает его и при этом нагревается сам до 250 - 300^oC. Попадая струями в закрытую полость 10 через отверстия 11, холодный воздух интенсивно омывает боковые скаты уголкового козырька 9 и также при этом нагревается до 250 - 300^oC.

Нагреваемый в кольцевом зазоре между цилиндрическим корпусом 1 горелки и воздушным коллектором 5 и в полости 10 воздух циркулирует через отверстия 12 и 13 в полость воздушного коллектора 5, откуда он истекает через воздушные сопла 7, где смешивается с газом, поступающим через газовыпускные сопла 8, после чего происходит воспламенение газовоздушной смеси и дальнейшее ее горение. Так как поверхность газового коллектора 3 и сами газовыпускные сопла 8 при прохождении их через полость воздушного коллектора 5 омываются нагретым до 250 - 300^oC воздухом, то газ на горение поступает также подогретым до температуры 130 - 150^oC. Для более полного и объемного сгорания газа и уменьшения содержания монооксидов углерода и азота в отходящих продуктах сгорания в зону горения через отверстия 14 подается вторичный воздух направленными скоростными струями. В торцевой части горелки истекающий через газовое сопло 15 газ смешивается с поступающим через круглое отверстие 16 в цилиндрический насадок 17 воздуходом, после чего на выходе из насадки 17 происходит воспламенение газовоздушной смеси и дальнейшее горение.

Благодаря коническому трубному переходу 6, с помощью которого воздушный коллектор 5 сопряжен с газовым коллектором 3, закручиваемый воздушным завихрителем 4 поток воздуха не испытывает большого сопротивления при прохождении в кольцевую полость между цилиндрическим корпусом 1 горелки и воздушным коллектором 5.

Боковое нижнее расположение сопел в горелке обеспечивает целенаправленный нагрев в барабане окомкователя только пересыпающегося слоя аглошихты и максимально объемную теплоотдачу ему.

Интервал 15 - 30^o, принятый для угла раскрытия между продольными рядами сопел, является наиболее оптимальным. При угле α <15^o нарушается свободное развитие отдельных факелов, а при угле α > 30^o не обеспечивается достаточная плотность огневого фронта, образуемого из отдельных факелов. И в том, и в другом случае коэффициент полезного использования сопла снижается. Граничные условия расположения сопел по их крайним рядам, а именно, по верхнему ряду - не выше горизонтальной оси и по нижнему ряду - с отклонением от вертикальной оси в сторону вращения барабана на 15^o, соответствуют расположению пересыпающегося слоя аглошихты на внутренней поверхности барабана при его вращении.

Установка газовыпускного сопла 8 с некоторым углублением в воздушное сопло 7 - гарантия от возможного отрыва факела от устья огневого сопла. Высов сопел наружу цилиндрического корпуса 1 горелки гарантирует от возможного местного перегрева на поверхности цилиндрического корпуса 1 горелки на участке размещения сопел, так как тем самым отодвигается фронт воспламенения и снижается тепловое воздействие на поверхность цилиндрического корпуса 1 горелки.

Устройство уголкового козырька 9 сверху цилиндрического корпуса 1 горелки на участке размещения сопел защищает сверху этот участок, являющийся как бы рабочей частью горелки, расположенной внутри барабана окомкователя, от образования налипающего слоя при обрушении отдельных комков аглошихты сверху с внутренней поверхности барабана и при сходе верхних горизонтов пересыпающегося слоя аглошихты вниз. Кроме своих защитных свойств уголковый козырек 9 является хорошим теплосъемником, так как в его полости 10 происходит интенсивный нагрев циркулирующего через отверстия 11 холодного и через патрубки 12 уже подогретого воздуха. Для интенсивности теплообмена между разогретой поверхностью боковых скатов козырька 9 и холодным воздухом, последний подается с наддувом, т.е. суммарная площадь входных отверстий 11 превышает суммарную площадь выходных сечений в патрубках 12.

Расположение входных патрубков 12 в верхней части воздушного коллектора 5 и радиальных отверстий 13 в части, противоположной размещению сопел, обеспечивает хорошую циркуляцию уже нагретого воздуха в кольцевой полости, образуемой коаксиальным зазором между воздушным 5 и газовым 3 коллектором, благодаря чему подогревается и газ. Суммарная площадь входных отверстий 13 и сечений патрубков 12 конструктивно подбирается равной или с небольшим превышением суммарной площади истечения нагретого воздуха через воздушные сопла 7, чтобы приход и расход подогретого воздуха в кольцевой полости воздушного коллектора 5 был взаимоуравновешенным и обеспечивающим достаточно стабильную рекуперацию воздуха на определенном температурном уровне.

Подача вторичного воздуха на горение через радиальные отверстия 14 между соплами горелки гарантирует достаточную сплошность взаимонасыщения газовых и воздушных струй и равномерное смесеобразование на всю длину рабочей сопловой части предлагаемой горелки. Устройство сопла в торце рассасывает застойную зону и улучшает рециркуляцию воздуха в торцевой части цилиндрического корпуса 1 горелки. Образующийся факел играет роль дежурного для контроля качества сжигания и работы самой горелки.

Использование предлагаемого конструктивно-технического решения многосопловой рекуперативной трубчатой горелки позволит значительно уменьшить расход газа за счет подогрева воздуха (250 - 300^oC) и самого газа (130 - 150^oC), а также за счет повышения коэффициента полезного использования тепла, получаемого при многосопловом сжигании газа по предложенной схеме.

Использование: в черной металлургии, в частности, для подогрева шихты в барабанных окомкователях при подготовке ее к дальнейшему спеканию на агломерационных машинах. Сущность изобретения: горелка содержит цилиндрический корпус 1 с патрубком подвода воздуха 2, газовый трубчатый коллектор 3, соосно размещенный в корпусе, аксиально-лопаточный воздушный завихритель 4, размещенный в кольцевом зазоре между корпусом горелки и газовым коллектором, воздушный коллектор 5, установленный коаксиально газовому коллектору, трубчатый переход 6. Воздушный коллектор 5 снабжен радиально направленными соплами 7, расположенными с углом раскрытия между собой в пределах 15-30^o, причем нижний ряд сопел смещен от вертикальной оси на 15^o, а крайний верхний ряд устанавливается не выше горизонтальной оси горелки. В цилиндрическом корпусе 1 горелки выполнены радиально направленные отверстия 14, которые предназначены для подачи вторичного воздуха горения. В центре торцевой части горелки имеется огневое сопло с подачей газа от газового коллектора через газовое сопло 15, выходящее своим устьем в круглое отверстие 16, имеющее обрамление в виде цилиндрического насадка 17 с внутренним углом скоса кромки под углом 60^o к его оси. Конструкция горелки сварная, выполненная из листового металла и стандартных труб различного диаметра. 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Горелка, содержащая цилиндрический с патрубком подвода воздуха корпус, внутри которого соосно размещен трубчатый газовый коллектор и установленный в образуемом кольцевом зазоре аксиально-лопаточный завихритель воздуха, отличающаяся тем, что после воздушного завихрителя вокруг газового коллектора коаксиально с ним с помощью перехода сопряжен воздушный коллектор с по крайней мере не менее чем тремя продольными рядами радиально направленных сопел, имеющих боковое нижнее расположение с углом раскрытия между ними 15^°≤ α ≤ 30^°, где крайний верхний ряд сопел установлен не выше горизонтальной оси горелки, а крайний нижний со смещением в ту или иную сторону от вертикальной оси горелки на 15^o, причем сопла установлены с некоторым высовом наружу цилиндрического корпуса горелки на расстояние не более, чем наружный диаметр самого сопла, причем внутри воздушных сопел с некоторым углублением установлены газовыпускные сопла от газового трубчатого коллектора. 2. Горелка по п. 1, отличающаяся тем, что на участке размещения сопел вдоль верхней части цилиндрического корпуса горелки соосно ее вертикальной оси установлен уголковый козырек, образующий с корпусом полый канал, сообщающийся радиально выполненными по верхней образующей цилиндрического корпуса горелки и равномерно расположенными между собой отверстиями с кольцевым зазором между воздушным коллектором и цилиндрическим корпусом горелки, с кольцевым зазором между газовым и воздушным коллекторами, посредством радиальных трубчатых патрубков, равномерно расположенных между собой двумя продольными рядами, симметрично относительно вертикальной оси горелки и в достаточном приближении к месту примыкания боковых скатов уголкового козырька к поверхности цилиндрического корпуса горелки. 3. Горелка по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что воздушный коллектор для сообщения с кольцевым зазором между ним и цилиндрическим корпусом горелки дополнительно снабжен рядами радиальных отверстий, расположенных равномерно между собой со стороны, противоположной размещению воздушных сопел и симметрично им. 4. Горелка по пп. 1 3, отличающаяся тем, что для подачи вторичного воздуха на горение в цилиндрическом корпусе горелки в продольных рядах огневых сопел дополнительно имеются радиальные отверстия, выполненные по два между огневыми соплами и равноудаленные как от них самих, так и между собой. 5. Горелка по пп.1 4, отличающаяся тем, что по ее центральной оси в торцевой части предусмотрено сопло с подачей газа от газового коллектора газовым соплом, устье которого выходит в круглое отверстие, выполненное по центру торцевой заглушки цилиндрического корпуса горелки и обрамленного цилиндрическим насадком длиной не более его калибра и со скосом кромок внутрь под углом 60^o к оси.