ДОМЕННЫЙ ВОЗДУХОНАГРЕВАТЕЛЬ Российский патент 2000 года по МПК C21B9/00 

Изобретение относится к области металлургии, а точнее высокотемпературному нагреву дутья и других газообразных теплоносителей.

Известен доменный воздухонагреватель, содержащий камеру насадки, внутреннюю камеру горения со штуцером горячего дутья, разделительной стеной и защитным окатом, играющим роль дополнительного уплотнения разделительной стены (Шкляр Ф. Р., Малкин В.М., Каштанова С.П. и др. Доменные воздухонагреватели (конструкции, теория, режимы работы)//М.: Металлургия, 1982, 176 с. с ил.).

В известном воздухонагревателе не устраняется эффект "короткого замыкания" - прямого перетока части газообразного топлива через разделительную стену в сопряженную область камеры насадки в дымовой период, а также перетоков холодного дутья в обратном направлении в период охлаждения, что снижает тепловую эффективность работы аппарата и наносит экологический ущерб окружающей среде. Действительно, защитный окат, располагаемый между разделительной стеной и устьем горелки, подвергается довольно значительному динамическому удару газовых струй (даже большему, нежели сама разделительная стена) и вследствие переменного температурного режима и интенсивной вибрации постепенно теряет газоплотность. Таким образом, установка защитного оката лишь несколько задерживает развитие эффекта "короткого замыкания", но полностью не устраняет его. Это приводит к появлению в дымовых газах оксида углерода (СО) и снижает тепловую эффективность работы воздухонагревателя. Кроме того, в продуктах горения имеет место значительное количество оксидов азота (NO_x), характерное для одноступенчатого режима горения топлива (Котлер В.Р. Оксиды азота в дымовых газах котлов// М.: Энергоатомиздат, 1987, 144 с. с ил.).

Наиболее близким техническим решением является доменный воздухонагреватель SU 985049, С 21 В 9/02, 30.12.1982, состоящий из кожуха, на внутренней поверхности которого расположена огнеупорная футеровка, камеры насадки и камеры горения, объединенных куполом. В днище камеры горения выполнен кольцевой паз, открытый внутрь камеры горения. Нижняя часть кольцевого паза соединена вертикальными патрубками с внутренним коллектором подвода охладителя (холодное дутье). С внешней стороны кожуха камеры горения установлен коллектор, соединенный патрубками с внутренним коллектором подвода охладителя. Внешний коллектор снабжен отсечным шибером.

Камера горения отделена от камеры насадки разделительной стенкой. На днище камеры горения по всему периметру разделительной стенки на расстоянии от нее 0,01-0,03 длины разделительной стенки установлена дополнительная стена из высокоогнеупорного материала (например из МКВ-72), образуя щель. Высота щели составляет 0,5-1,0 средней длины разделительной стенки. Дополнительная стена со стороны рабочего пространства камеры горения удерживается контрфорсами (упорные стенки), которые расположены друг от друга на расстоянии 0,12-0,20 средней длины разделительной стенки.

Доменный воздухонагреватель работает следующим образом.

Во все периоды работы воздухонагревателя охладитель, например холодное дутье, подают из внешнего коллектора при открытом шибере через патрубки во внутренний коллектор и далее через вертикальные патрубки в нижнюю часть кольцевого паза. Холодное дутье, нагнетаемое из вертикальных патрубков (сопел), при выходе из кольцевого паза, примыкающего к кладке радиальной стены, создает защитную оболочку, предохраняющую огнеупорную кладку и кожух от агрессивного воздействия газов с высокими температурами в факеле горения. Охладитель из паза, примыкающего к разделительной стенке, сначала попадает в щель, а уже на выходе из нее создает защитную оболочку.

Однако известный воздухонагреватель имеет следующие недостатки. Высота щели составляет лишь 0,5-1,0 от средней длины разделительной стенки (что в реальном исполнении составит 2-4 м), т.е. ввод вторичного воздуха находится в зоне раскрытия первичного потока газообразных реагентов из устья горелки. Это не позволит реализовать преимущество двухстадийного режима горения, состоящее в понижении на 50% доли выбросов NO_x в дымовых газах. Таким образом, в известном воздухонагревателе реализуется лишь разделенный в пространстве днища камеры горения одностадийный режим горения топлива. Кроме того, представляется нецелесообразным развитие кольцевого паза на полупериметр сочленения стены камеры горения с радиальной стеной воздухонагревателя и примыкающий к горелке. Ведь даже в случае образования здесь трещин футеровка, вследствие температурного расширения огнеупоров, поджимается к кожуху и перетоки недожженного топлива по этому полупериметру основания камеры горения исключаются. В то же время постоянный приток холодного дутья, не прогреваемого в этой зоне в результате теплового взаимодействия с футеровкой дополнительной стены, увеличит перепады температур между периодами нагрева и дутья в этом, наиболее термически напряженном узле камеры горения, что вызовет снижение стойкости ее футеровок.

Задача, на решение которой направлено предлагаемое техническое устройство - ликвидация перетоков топлива из камеры горения в камеру насадки в период нагрева, а также дутья в обратном направлении в период охлаждения аппарата. При этом достигается получение такого технического результата, как ликвидация выбросов в атмосферу оксидов углерода, снижение выбросов оксида азота и повышение тепловой эффективности работы воздухонагревателей.

Задача решается тем, что между защитным окатом и разделительной стеной воздухонагревателя реализуют зазор шириной б = 0,002 - 0,0025 от внутреннего диаметра воздухонагревателя, а в кладке днища выполняют трубопровод, соединенный со штуцером холодного дутья, для подачи в зазор снизу (фиг. 1, 2) воздуха холодного дутья. При этом подводящий трубопровод снабжают регулирующим клапаном для выравнивания давлений в камере горения и на выходе из зазора в период нагрева (благодаря чему исключают доступ газообразного топлива к разделительной стене), а в период охлаждения осуществляют выравнивание давлений на выходе из зазора и в камере насадки (благодаря чему исключают переток дутья из камеры насадки в камеру горения). Одновременно, в силу постоянного течения холодного дутья по зазору, существенно снижают перепад температур на внутренней и внешней поверхностях разделительной стены и тем самым уменьшают количество сквозных трещин в этой зоне. Причем при реализации зазора защитный окат располагают от основания камеры горения до уровня верхней кромки штуцера горячего дутья для изоляции разделительной стены от лучистого теплового взаимодействия с водоохлаждаемым шибером горячего дутья, поскольку локальный отток тепла от футеровки способствует развитию сквозных трещин в этой зоне. Наконец, подвод в камеру горения первичного и вторичного воздуха горения в соответствии с предлагаемым конструктивным решением разделен по высоте (первичный воздух поступает из устья горелки у основания камеры горения, вторичный - из зазора на уровне верхней кромки штуцера горячего дутья), и это двухступенчатое горение топлива (согласно Котлер В.Р. Оксиды азота в дымовых газах котлов// М.: Энергоатомиздат, 1987, 144 с. с ил.) снижает на 50% содержание NO_x в дымовых газах.

Оптимальная ширина щелевой полости (фиг. 1, 2) определена расчетным путем и ограничена по минимуму возможностью возрастания скорости воздуха до скорости звука, что может вызвать пульсационный режим горения топлива, по максимуму - необходимым для полного сжигания топлива расходом вторичного воздуха в условиях минимального сокращения поперечного сечения шахты камеры горения. При реализации щелевой полости защитный окат предлагается располагать от основания камеры горения до уровня верхней кромки штуцера горячего дутья, поскольку в соответствии с расчетно-экспериментальными данными (Коршиков В. Д., Бянкин И.Г., Соломенцев С.Л. Влияние высоты кессона на величину перетоков газовых сред в доменном воздухонагревателе//Изв. вуз. Черная металлургия, 1991, N 1, с. 86-88) выше данного уровня переток газовых сред снижается практически до нуля, вследствие резкого снижения перепада давления на внутренней и внешней поверхностях разделительной стены.

На фиг. 1 изображен воздухонагреватель после его разогрева в рабочем состоянии, на фиг. 2 - сечение А-А.

Воздухонагреватель содержит штуцер 1 холодного дутья, соединенный с поднасадочным устройством 2. Поднасадочное устройство 2, расположенное в нижней части воздухонагревателя, соединяет рабочую камеру 3 со штуцером 1 холодного дутья и штуцерами 4 дыма. Рабочая камера 3 заполнена насадкой и соединена вверху с куполом 5. Камера 6 горения с разделительной стеной 7 и защитным окатом 8 соединена сверху с куполом 5, в средней части - со штуцером 9 горячего дутья, внизу - с горелкой 10. Зазор 11, реализованный между защитным окном 8 и разделительной стеной 7, соединен снизу посредством трубопровода 12, снабженного регулирующим клапаном 13, со штуцером 1 холодного дутья.

Воздухонагреватель работает следующим образом.

В период нагрева насадки газ и первичный воздух горения поступают в горелку 10, а вторичный воздух горения с давлением, равным давлению в камере 6 горения и регулируемым посредством клапана 13, по трубопроводу 12 поступает в зазор 11, а затем в камеру 6 горения, где осуществляется двухстадийное сжигание топлива. Продукты горения поступают в рабочую камеру 3 и передают тепло насадке, после чего выходят в поднасадочное устройство 2 и из него через штуцеры 4 дыма отводятся в общий дымоход.

В период охлаждения насадки холодное дутье через штуцер 1 подают в поднасадочное устройство 2, из которого оно поступает в рабочую камеру 3 и, нагреваясь за счет тепла насадки, выходит из под купола 5 в камеру 6 горения, откуда поступает в штуцер 9 и общий трубопровод горячего дутья. При этом часть дутья по трубопроводу 12 с давлением, равным давлению в рабочей камере 3 и регулируемым посредством клапана 13, поступает в щелевую полость 11, отсекая перетоки дутья в камеру 6 горения из рабочей камеры 3.

Пример. В доменном воздухонагревателе с внутренним диаметром 8,44 м, высотой насадки 40,64 м, оснащенным камерой горения чечевицеобразной формы общей высотой 36,7 м (применительно к условиям работы доменной печи объемом 3200 м³), защитный окат выкладывается на расстоянии 0,017 м от разделительной стены для реализации зазора. Ширина защитного оката - 0,230 м, а общая высота 7,9 м. Для подвода в область зазора холодного дутья используют трубопровод диаметром 0,08 м, снабженный изоляцией из асбестового волокна.

Использование предлагаемого воздухонагревателя обеспечивает по сравнению с существующими следующие преимущества: полная ликвидация выбросов в атмосферу оксида углерода (CO), снижение на 50% выбросов оксидов азота (NO_x), снижение на 3-4% недожога газообразного топлива, повышение стойкости разделительной стены воздухонагревателя, а также эффективности и надежности работы аппарата в целом.

Изобретение относится к области металлургии, преимущественно к высокотемпературному нагреву дутья и других газообразных теплоносителей. Сущность предлагаемого изобретения состоит в том, что камера горения доменного воздухонагревателя снабжена защитным окатом, располагаемым от уровня основания камеры горения до уровня штуцера горячего дутья, причем защитный окат установлен с зазором относительно разделительной стены шириной 0,002 - 0,0025 от внутреннего диаметра воздухонагревателя. При этом в днище камеры горения выполнен трубопровод, снабженный регулирующим клапаном и соединенный со штуцером холодного дутья, для подачи холодного дутья в область зазора. Использование изобретения обеспечивает ликвидацию выбросов в атмосферу оксидов углерода и повышение тепловой эффективности воздухонагревателей. 2 ил.

Доменный воздухонагреватель, содержащий камеру насадки, внутреннюю камеру горения со штуцером горячего дутья, разделительной стеной и защитным окатом, установленным от уровня днища камеры горения с зазором относительно разделительной стенки, при этом зазор соединен трубопроводом, расположенным в днище камеры горения, со штуцером холодного дутья для подачи его в область зазора, отличающийся тем, что защитный окат расположен до уровня верхней кромки штуцера горячего дутья, ширина зазора составляет 0,002 - 0,0025 от внутреннего диаметра воздухонагревателя, а трубопровод снабжен регулирующим клапаном.