РЕКУПЕРАТОР Российский патент 1999 года по МПК F23L15/04 

Изобретение относится к газопечной теплотехнике и может быть использовано в нагревательных печах с нагревом воздуха в рекуператорах в металлургической, машиностроительной и других областях промышленности.

Наиболее близким по технической сущности является рекуператор, включающий насадку из керамических трубок и соединительных элементов, воздухосборник нагретого воздуха, надрекуператорное и подрекуператорное пространства. Насадка рекуператора заключена в камеру с входными и выходными каналами. Дымовые газы из печи поступают в надрекуператорное пространство, из которого входят в керамические трубки, проходя по которым отдают через них тепло воздуху, проходящему по межтрубному пространству, выходят в подрекуператорное пространство и далее - по дымопроводу печи на котлы-утилизаторы и в дымовую трубу.

Воздух при помощи вентилятора засасывается через входные каналы камеры насадки, проходит между трубками насадки, нагреваясь от контакта с ними и через выходные каналы камеры насадки поступает в воздухосборник и далее - вентилятором по воздухопроводам на горелки печи (см. Справочник конструктора печей прокатного производства т. 1, М., Металлургиздат, 1970, с.542, рис. XVIII-5).

Недостатком известного рекуператора является то, что по ходу его эксплуатации из-за механических и тепловых нагрузок снижается газоплотность его насадки, вследствие чего возрастает утечка воздуха в дымовые каналы, снижается теплообмен в насадке рекуператора и температура нагреваемого воздуха (на 50-200^oC), что приводит к повышенному расходу топлива на нагрев металла в печи и увеличению затрат на восстановительный ремонт рекуператора.

Технической задачей изобретения является повышение температуры нагреваемого воздуха и снижение затрат на ремонт рекуператора.

Техническая задача решается тем, что в рекуператоре, включающем насадку из керамических трубок и соединительных элементов, заключенную в камеру с выходными и входными каналами, надрекуператорное и подрекуператорное пространства, воздухосборник нагретого воздуха, надрекуператорное пространство выполнено сообщающимся с внутренней полостью воздухосборника через перепускные каналы в стенке, разделяющей надрекуператорное пространство с воздухосборником, при этом суммарное проходное сечение каналов составляет 0,01-0,11 суммарного проходного сечения выходных каналов из камеры насадки в воздухосборник и определяется по зависимости:

где f - суммарное проходное сечение перепускных дымовых каналов, м²;
F - суммарное проходное сечение воздушных каналов, входящих в воздухосборник, м²;
ϕ - количество дымовых газов на единицу воздуха, поступающего в воздухосборник, м³/м³;
K - эмпирический коэффициент, равный 0,2-0,4,безразмерный;
P₁ и P₂ - разрежение соответственно в воздухосборнике и в надрекуператорном пространстве, кгс/м²;
T_д и T_в - температура соответственно дымовых газов и воздуха, поступающих в воздухосборник, K.

В полости воздухосборника поддерживается более высокое разрежение (Р1), чем в надрекуператорном пространстве (P2), обусловленное более высоким гидравлическим сопротивлением насадки рекуператора по воздуху по сравнению с гидравлическим сопротивлением участка дымопровода от выхода дымовых газов из печи до надрекуператорного пространства по дыму.

Вследствие перепада разрежений (P1-P2) осуществляется переток части высоконагретых дымовых газов из надрекуператорного пространства в полость воздухосборника. За счет этого повышается температура воздуха, поступающего на горение. Дополнительно, ввиду разбавления воздуха дымовыми газами, понижается температура горения топлива и концентрация кислорода в зоне реакции окисления азота, в связи с чем уменьшается образование оксидов в печи и выброс вредных веществ в окружающую среду.

Перепускные каналы выполняются различной конфигурации и располагаются равномерно по длине стенки, разделяющей полость воздухосборника и надрекуператорное пространство. Часть перепускных каналов может резервироваться перекрытием их огнеупорными изделиями насухо или на огнеупорном растворе.

Суммарное проходное сечение действующих перепускных каналов определяется по вышеприведенной зависимости.

Так как воздух и дымовые газы засасываются в воздухосборник вентилятором, создающим общую для этих потоков движущую силу, равную разрежению (Р1) в воздухосборнике, то система смешения потоков осуществляется по закону инжекции с постоянным соотношением их количеств. Изменение соотношения "дым-воздух" достигается изменением проходного сечения перепускных дымовых каналов (f) при постоянстве проходного сечения воздушных каналов (F), т.е. изменением соотношения проходных сечений по дыму и воздуху (f/F).

Постоянство соотношения количеств дымовых газов и воздуха обусловлено также и тем, что для конкретных конструкций коэффициенты гидравлического сопротивления дымового тракта и рекуператора по воздуху со входом потоков дымовых газов и воздуха в воздухосборник так же постоянны, а параметры P₂, T_д, T_в могут незначительно отклоняться от своих средних значений за время работы печи, что существенно не влияет на устойчивость соотношения потоков. Это исключает необходимость применения для целей регулирования соотношения "дым-воздух" специальных контрольно-измерительных и регулирующих средств и систем.

Диапазон отношений суммарного проходного сечения перепускных дымовых каналов к суммарному проходному сечению воздушных каналов, входящих в воздухосборник f/F=0,01-0,11 объясняется тем, что при меньших значениях эффективность мероприятия мала - повышение температуры воздуха незначительно, а при больших значениях температура смеси дым+воздух может превосходить допустимую (400^oC) по условиям эксплуатации вентилятора. Указанный диапазон устанавливается в прямой зависимости от значения величины расхода дымовых газов на единицу воздуха (ϕ), поступающих в воздухосборник, которая может быть определена по зависимости

где t_см - температура смеси дымовых газов с воздухом на выходе из воздухосборника, ^oC;
t_д и t_в - температура соответственно дымовых газов и воздуха, поступающих в воздухосборник, ^oC
CO₂ ^дг, O₂ ^дг и CO₂ ^см, O₂ ^см - содержание двуокиси углерода (COS) и кислорода (CO₂) - соответственно в сухих дымовых газах, поступающих в воздухосборник из надрекуператорного пространства и в их смеси с воздухом, %.

Диапазон значений эмпирического коэффициента "К" в пределах 0,2-0,4 объясняется соотношением пропускных способностей воздушного и дымового трактов рекуператора на пути движения потоков воздуха и дымовых газов в воздухосборник. При меньших значениях относительное проходное сечение перепускных каналов (f/F) возрастает, а при больших значениях, снижается сверх необходимых значений. Указанный диапазон устанавливается в обратной зависимости от отношения f/F.

Анализ научно-технической и патентной литературы показывает отсутствие совпадения отличительных признаков заявляемого рекуператора с признаками известных технических решений. На основании этого делается вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию "изобретательский уровень".

Ниже дан вариант осуществления изобретения. На фиг.1 показана схема рекуператора, продольный разрез; на фиг. 2 - то же, вид А.

Рекуператор состоит из огнеупорного корпуса 1, керамических трубок 2 с зазорами между ними, соединительных элементов 3, образующих, вместе с трубками 2, межтрубное пространство 4 для прохода воздуха, входных 5 и выходных 6 каналов в камере насадки, надрекуператорного 7 и подрекуператорного 8 пространств, стенки 9 с перепускными каналами 10 в ней, разделяющей надрекуператорное пространство 8 и воздухосборник 11, отсасывающего патрубка 12 в воздухосборнике 11, расположенном на стороне всаса вентилятора.

Рекуператор работает следующим образом.

Пример. Дымовые газы из печи поступают в подрекуператорное пространство 7 с небольшим разрежением в нем (Р2), откуда часть их (ϕ) через перепускные каналы 10 в разделительной стенке 9 под действием более высокого разрежения (Р1), создаваемого вентилятором, поступает в воздухосборник 11, где смешивается с поступающим туда же подогретым воздухом.

Суммарное проходное сечение перепускных каналов 10 в разделительной стенке 9 устанавливается по зависимости

где f - суммарное проходное сечение перепускных дымовых каналов, м²;
F - суммарное проходное сечение воздушных каналов входящих в воздухосборник, м²;
ϕ - количество дымовых газов на единицу воздуха, поступающих в воздухосборник, м³/м³;
K - эмпирическим коэффициент, равный 0,2-0,4
P₁ и P₂ - разрежение соответственно в воздухосборнике и в надрекуператорном пространстве кгс/м²;
T_д и T_в - температура соответственно дымовых газов и воздуха, поступающих в воздухосборник, К.

Остальная, большая часть дымовых газов из надрекуператорного пространства 7 поступает в насадку рекуператора, проходит по керамическим трубкам 2, нагревая воздух, выходит из них в подрекуператорное пространство 3 и, далее, по дымопроводу печи на котлы-утилизаторы и в дымовую трубу.

Воздух под действием вентилятора (не показан) через входные каналы 5 входит в насадку рекуператора, проходит по ее межтрубному пространству 4, где нагревается в результате контакта с керамическими трубками (1-я ступень нагрева) внутри которых движутся горячие дымовые газы, и через выходные каналы 6 поступает в воздухосборник 11, где смешивается с дымовыми газами, поступающими туда же через перепускные каналы 10 в разделительной стенке 9 (2-я ступень нагрева). Далее нагретый воздух из воздухосборника 11 через патрубок 12 отсасывается вентилятором и по системе воздухопроводов подается в горелки печи.

Расход воздушно-дымовой смеси на горение единицы топлива, по сравнению с работой на чистом воздухе увеличивается в соотношении где 21 и O₂ ^см -содержание кислорода соответственно в воздухе и в воздушно-дымовой смеси.

В таблице приведены примеры работы рекуператора с различными технологическими и конструктивными параметрами.

В первом примере, при высокой пропускной способности рекуператора по воздуху (К>0,4) и малом значении отношения f/F не обеспечивается перетока необходимого количества дымовых газов из надрекуператорного пространства в воздухосборник, подогрев воздуха практически отсутствует, расход его через рекуператор превышает необходимый уровень (65-90 тыс. м_Ю3/ч) для нормальной работы печи.

В пятом примере, при низкой пропускной способности рекуператора по воздуху (К<0,2) и величине отношения f/F>0,12 имеет место высокий расход дымовых газов на единицу воздуха (ϕ = 0,336), нагрев воздуха выше допустимых значений (400 с) по условиям эксплуатации вентилятора, низкое содержание кислорода в смеси воздуха с дымовыми газами и недостаточный расход воздуха поступающего на печь через рекуператор.

В шестом примере, прототипе вследствие низкой газоплотности и низкого, по этой причине, теплообмена в рекуператоре имеет место низкий нагрев воздуха (200^oC).

В примерах 2, 3, 4 вследствие оптимальных значений f/F обеспечивается высокий уровень нагрева воздуха при различных конструктивных и технологических параметрах рекуператора за счет осуществления перетока части высокотемпературных дымовых газов из надрекуператорного пространства в воздухосборник.

Использование рекуператора позволяет повысить температуру нагрева воздуха. В связи с этим снижается расход топлива на нагрев металла в печи на 5-10%, а также величина затрат на ремонт рекуператора.

Дополнительно, за счет сжигания топлива в воздушно-дымовой смеси, уменьшается образование оксидов азота в печи и выброс вредных веществ в окружающую среду.

Изобретение предназначено для использования в нагревательных печах с нагревом воздуха в рекуператорах в металлургической, машиностроительной и других областях промышленности. Технический эффект при использовании изобретения заключается в повышении температуры нагреваемого воздуха и снижении эмиссии (образование) оксидов азота в печи. Указанный технический эффект достигается тем, что в рекуператоре, включающем насадку из керамических труб и соединительных элементов, заключенную в камеру с выходными и входными каналами, надрекуператорное и подрекуператорное пространства, воздухосборник нагретого воздуха, надрекуператорное пространство выполнено сообщающимся с внутренней полостью воздухосборника, разрежение (Р₁) в которой, создаваемое вентилятором, всегда выше, чем в надрекуператорном пространстве (Р₂). Вследствие перепада разрежений (Р₁-Р₂) осуществляется переток части высоконагретых дымовых газов из надрекуператорного пространства в полость воздухосборника. При этом суммарное проходное сечение перепускных каналов, выполненных в стенке, разделяющей надрекуператорное пространство с воздухосборником, составляет 0,01 - 0,11 суммарного проходного сечения воздушных каналов, входящих в воздухосборник из камеры насадки, и определяется по заданной зависимости. 2 ил., 1 табл.

Рекуператор, включающий насадку из керамических трубок и соединительных элементов, заключенную в камеру с выходными и входными каналами, надрекуператорное и подрекуператорное пространство, воздухосборник нагретого воздуха, отличающийся тем, что надрекуператорное пространство выполнено сообщающимся с внутренней полостью воздухосборника через перепускные каналы в стенке, разделяющей надрекуператорное пространство с воздухосборником, при этом суммарное проходное сечение упомянутых каналов составляет 0,01-0,11 суммарного проходного сечения выходных каналов из камеры насадки в воздухосборник и определяется по зависимости

где f - суммарное проходное сечение перепускных дымовых каналов, м²;
F - суммарное проходное сечение воздушных каналов, входящих в воздухосборник, м²;
ϕ - количество дымовых газов на единицу воздуха, поступающего в воздухосборник, м³/м³;
К - эмпирический коэффициент, равный 0,2-0,4;
Р₁ и Р₂ - разрежение соответственно в воздухосборнике и в надрекуператорном пространстве, кгс/м²;
Т_д и Т_в - температура соответственно дымовых газов и воздуха, поступающих в воздухосборник, К.