ШАХТНАЯ ГАЗОВАЯ ПЕЧЬ ДЛЯ ОБЖИГА КУСКОВОГО МАТЕРИАЛА Российский патент 2007 года по МПК F27B1/00 C04B2/12 

Изобретение относится к шахтным газовым печам для обжига кускового материала, например известняка, и может быть использовано в черной и цветной металлургии, химической и строительной промышленности.

Известны шахтные газовые печи для обжига кускового известняка, в которых установлены балочные, периферийные, консольно-фурменные и осевые горелки, при этом в некоторых конструкциях печей осуществляют комбинированное отопление с использованием перечисленных горелок (Перегудов В.В., Роговой М.И. Тепловые процессы и установки в технологии строительных изделий и деталей. - М.: Стройиздат, с.284, 1983).

Известна шахтная газовая печь Союзгипрострома производительностью 50 т/сут, содержащая футерованную шахту с зонами подогрева, обжига и охлаждения, два типа топливосжигающих устройств в виде периферийных и центральных балочных горелок, установленных на нижнем и верхнем ярусах (Монастырев А.В., Александров А.В. Печи для производства извести: Справочник. - М.: Металлургия, с.68, 74-75, 1979).

На верхнем ярусе данной шахтной печи установлены одна балочная водоохлаждаемая горелка, через которую газ подается в центральную область, и шесть периферийных диффузионных горелок, через которые газ подается в пристеночную область.

На нижнем ярусе печи установлены одна балочная водоохлаждаемая горелка, расположенная в направлении, перпендикулярном к верхней балочной горелке, через которую газ подается в центральную область нижнего яруса, и шесть периферийных диффузионных горелок, через которые газ подается в пристеночную область.

Недостатком такой конструкции шахтной газовой печи, где ввод природного газа в центр шахты обеспечивается балочными горелками, а в пристеночную область - периферийными диффузионными горелками, является развитие в пристеночной области больших температур и неравномерность распределения температур по сечению печи. В средней области сечения, где топлива недостаточно, перепад температур в пределах сечения печи достигает 400-450°С, что исключает равномерный обжиг материала, приводит к выпуску готового продукта с одновременным содержанием «пережога» и «недопала», а также снижает производительность печи.

Кроме того, охлаждение балочных горелок водой приводит к потере тепла до 10% от общего расхода тепла на единицу продукции.

Наиболее близким к заявляемому изобретению по совокупности существенных признаков является разработанная ВНИИстром шахтная газовая печь для обжига кускового материала производительностью 100 т/сут, содержащая футерованную шахту с зонами подогрева, обжига и охлаждения готового продукта, периферийные топливосжигающие устройства, установленные на нижнем и верхнем ярусах, при этом топливосжигающие устройства верхнего яруса расположены в зоне обжига, а нижнего яруса - в зоне охлаждения (Монастырев А.В., Александров А.В. Печи для производства извести: Справочник. - М.: Металлургия, с.68, 77-78, 1979).

В качестве периферийных топливосжигающих устройств на верхнем ярусе шахтной газовой печи используют десять консольных фурменных горелок, через которые газ вводится в пристеночную область зоны обжига. На охлаждение верхних фурменных горелок подается первичный воздух. Расход холодного (атмосферного) воздуха на горелки верхнего яруса достигает 25% от общего расхода, а остальной воздух подается в зону охлаждения печи.

В качестве периферийных топливосжигающих устройств на нижнем ярусе шахтной печи для обжига кускового материала используют четыре консольные фурменные горелки, через которые газ вводится в приосевую область зоны охлаждения. Горелки нижнего яруса охлаждаются рециркуляционными газами. Расстояние между ярусами 5 метров.

Конструкция периферийной консольной фурменной горелки представляет собой установленную в монтажную фурму диффузионную односопловую горелку, включающую газовую трубу, установленную в защитной фурме (Монастырев А.В. Производство извести Изд. - 3-е. - М.: Высшая школа, 1978, с.129-132, 141, Винтовкин А.А., Ладыгичев М.Г. и др. Горелочные устройства промышленных печей и топок (конструкции и технические характеристики). Справочник. - М.: Интермет инжиниринг, 1999, с.81-83).

Недостатком данной конструкции шахтной газовой печи является ее низкая производительность, так как расположение консольных фурменных горелок нижнего яруса в зоне охлаждения с подачей на охлаждение бедных кислородом и невысокой (≤100°С) температуры рециркуляционных газов не обеспечивает воспламенения смеси холодного газообразного топлива и газа-окислителя для его горения в месте ввода по сечению печи, поскольку температура воспламенения такой смеси составляет более 900°С, что задерживает начало процесса горения и требует увеличения расстояния между горелками нижнего и верхнего яруса не менее чем на 5 м друг от друга, а следовательно, и увеличение высоты зоны обжига.

Таким образом, увеличение высоты зоны обжига и времени нахождения в этой зоне материала ведет к снижению производительности печи.

Кроме того, выполнение топливосжигающих устройств верхнего яруса в виде периферийных диффузионных односопловых горелок, установленных в защитной фурме с подачей до 25% первичного воздуха на охлаждение, с характеризующими эти горелки параметрами, а именно прямоточным горящим факелом с углом раскрытия 27-40°, а также наличием негорящего участка - отрыва факела от сопла, не обеспечивает равномерного распределения температур в пристеночной области.

Присущая данной конструкции шахтной газовой печи неравномерность распределения продуктов горения по сечению печи приводит к снижению качества готового продукта из-за наличия «пережога» и «недопала», что также ведет к снижению производительности печи.

Суммарная степень перекрытия поперечного сечения шахты горящими факелами обоих ярусов составляет не более 49%, при этом степень обжига кускового материала не превышает 78%.

Технический результат заявляемого изобретения заключается в повышении качества обжига кускового материала за счет обеспечения равномерного распределения продуктов горения в пристеночной и центральной области поперечного сечения шахты печи и, как следствие, увеличение производительности шахтной газовой печи.

Указанный технический результат достигается тем, что в шахтной газовой печи для обжига кускового материала, содержащей футерованную шахту с зонами подогрева, обжига и охлаждения готового продукта, периферийные топливосжигающие устройства, установленные на верхнем и нижнем ярусах, причем топливосжигающие устройства верхнего яруса расположены в зоне обжига, согласно изобретению периферийные топливосжигающие устройства нижнего и верхнего яруса выполнены в виде двухпроводных горелок с принудительной подачей воздуха, при этом двухпроводные горелки нижнего яруса расположены в зоне обжига, а двухпроводные горелки верхнего яруса снабжены лопаточным завихрителем воздуха с поворотом лопаток завихрителя на угол 30-45° относительно продольной оси горелки.

В качестве двухпроводных горелок нижнего яруса шахтной газовой печи используют прямоточные или вихревые горелки с лопаточным завихрителем, угол поворота лопаток которого составляет от 0 до 25° относительно продольной оси горелки, что обеспечивает прямоточное движение факела.

Выполнение периферийных топливосжигающих устройств на нижнем ярусе в виде двухпроводных горелок с принудительной подачей воздуха, расположенных в зоне обжига, позволяет одновременно вводить основное количество топлива и небольшое (меньше теоретического) количество холодного воздуха-окислителя на горение, которые, смешиваясь в зоне обжига с нагретым воздухом, образуют воспламеняющуюся смесь, подаваемую с помощью сомкнутого горящего факела в центральную область шахты непосредственно в месте ввода топлива, что обеспечивает равномерное распределение продуктов горения в центральной области печи, позволяет уменьшить высоту зоны горения, что ведет к уменьшению времени нахождения материала в зоне обжига и увеличению производительности печи.

Двухпроводные горелки нижнего яруса обеспечивают формирование достаточно жесткого факела, проникающего в материал на глубину до 1,0-1,5 м.

Выполнение периферийных топливосжигающих устройств верхнего яруса в виде двухпроводных горелок с принудительной подачей воздуха, снабженных лопаточным завихрителем воздуха с поворотом лопаток завихрителя на угол 30-45° относительно продольной оси горелки, позволяет смешивать газ и холодный воздух с образованием сразу на выходе из горелки воспламеняющейся смеси, образующей факел в пристеночной области шахтной печи, и регулировать температуру и площадь распространения факела в пристеночной области с помощью изменения угла поворота лопаток завихрителя воздуха, и, тем самым, избежать «пережога» материала в пристеночной области.

При этом угол поворота лопаток завихрителя на угол 30-45° относительно продольной оси горелки позволяет обеспечить угол раскрытия горящего факела, равный 60-90° соответственно, с образованием стабильной внутренней зоны циркуляции, что в свою очередь обеспечивает равномерное распределение продуктов горения в пристеночной области и приводит к равномерному обжигу материала и исключению его «пережога».

Из источника информации (см. книгу: Винтовкин А.А., Ладыгичев М.Г., и др. Горелочные устройства промышленных печей и топок (конструкции и технические характеристики). Справочник. - М.: Интермет инжиниринг, 1999, с.209-210) известно, что при изменении угла установки лопаток завихрителя от 0° до 20-25° наблюдается прямоточное течение с видимой, но слабой закруткой газа и воздуха из горелки, не приводящей к образованию внутренней зоны циркуляции. При этом угол раскрытия горящего факела составляет не более 39°.

Как следует из этого же источника информации, при угле поворота лопаток на 30-35° горящий факел скачкообразно переходит к вихревому движению с резким увеличением угла раскрытия факела и появлением зоны циркуляции в приосевой области.

В заявляемом изобретении угол поворота лопаток двухпроводных горелок на 30° обеспечивает угол раскрытия факела в 60° и образование стабильной внутренней зоны циркуляции высокотемпературных продуктов горения в приосевой области.

При этом увеличение угла поворота лопаток двухпроводных горелок более чем на 45° и, соответственно, увеличение угла раскрытия горящего факела для горелок верхнего яруса более 90° нецелесообразно, т.к. фронт зоны циркуляции высокотемпературных продуктов горения в окрестностях оси такого факела может достичь лопаточного завихрителя и вызвать его обгорание.

Таким образом, использование в шахтной газовой печи для обжига кускового материала двухпроводных горелок с принудительной подачей воздуха, расположение двухпроводных горелок нижнего яруса в зоне обжига и снабжение двухпроводных горелок верхнего яруса лопаточным завихрителем воздуха с поворотом лопаток завихрителя на угол 30-45° относительно продольной оси горелки позволяет обеспечить начало процесса горения непосредственно в месте ввода топлива и воздуха в рабочее пространство шахтной газовой печи и сократить высоту зоны обжига увеличить площадь перекрытия поперечного сечения шахты горящими факелами в зоне обжига как в центральной, так и в пристеночной области шахтной печи, а также регулировать температуру факела с помощью изменения угла поворота лопаток завихрителя воздуха.

В результате происходит равномерное распределение продуктов горения в пристеночной и центральной области, более полная и равномерная отдача тепла продуктами горения топлива обжигаемому материалу, не требующая длительного времени пребывания обжигаемого материала в зоне обжига, что повышает производительность печи при высоком качестве готового продукта.

Технических решений, совпадающих с совокупностью существенных признаков изобретения, не выявлено, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения условию патентоспособности «новизна».

Заявляемые существенные признаки изобретения, предопределяющие получение указанного технического результата, явным образом не следуют из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения условию патентоспособности «изобретательский уровень».

Условие патентоспособности «промышленная применимость» подтверждено на примере конкретного выполнения шахтной газовой печи для обжига кускового материала с приведением достигнутых технических показателей (см. Таблицу).

На фигуре 1 изображен общий вид шахтной газовой печи для обжига кускового материала в разрезе; на фигуре 2 - двухпроводная газовая горелка верхнего яруса с лопаточным завихрителем воздуха; на фигуре 3 - двухпроводная прямоточная газовая горелка нижнего яруса.

Шахтная газовая печь для обжига кускового материала, например известняка, включает футерованную шахту 1 с зонами подогрева, обжига и охлаждения готового продукта, содержащую стальной кожух и огнеупорную кладку 2. Шахтная газовая печь снабжена загрузочным устройством 3, установленным над футерованной шахтой 1, и выгружающим устройством (на чертеже не показано).

В футерованной шахте 1 в зоне обжига установлены два яруса периферийных топливосжигающих устройств, выполненных в виде двухпроводных горелок 4 и 5 с принудительной подачей воздуха вентилятором (на чертеже не показано), консольно установленных на верхнем и нижнем ярусах. Двухпроводные прямоточные горелки 5 нижнего яруса установлены на уровне 6,0 м от ввода воздуха, вводимого через выгружающее устройство для охлаждения кускового материала (на чертеже не показано).

Двухпроводные горелки 4 верхнего яруса расположены на расстоянии 2,0 м от прямоточных двухпроводных горелок 5 нижнего яруса шахтной газовой печи.

На верхнем ярусе установлены восемь двухпроводных горелок 4 (фиг.2), каждая из которых содержит газовую трубу 6 с подводящим патрубком 7, соосно установленную с ней воздушную трубу 8 с подводящим патрубком 9. На конце газовой трубы 6 установлено сопло 10 с отверстиями 11, расположенными под острым углом к оси газовой трубы 6. На конце воздушной трубы 8 установлено сопло 12. Перед соплом 10 на газовой трубе 6 установлен лопаточный завихритель воздуха, представляющий собой кольцевую втулку 13 с лопатками 14, которые стационарно установлены на втулке 13 с углом поворота 45° относительно продольной оси горелки.

Угол поворота лопаток завихрителя поочередно устанавливался на 30° и 45° относительно продольной оси горелки 4.

На нижнем ярусе шахтной газовой печи установлены четыре двухпроводные прямоточные горелки 5 (фиг.3), каждая из которых содержит газовую трубу 15 с подводящим патрубком 16, соосно установленную с ней воздушную трубу 17 с подводящим патрубком 18. На конце газовой трубы 15 установлено сопло 19 с отверстием 20, расположенным по оси газовой трубы 15. На конце воздушной трубы 17 установлено сопло 21.

Шахтная газовая печь для обжига кускового материала производительностью 50 т/сут работает следующим образом.

Кусковой материал крупностью 40-80 мм через загрузочное устройство 3 загружают в футерованную шахту 1 цилиндрической печи с внутренним диаметром 2,6 м и рабочей высотой 17,2 м. Подогрев, обжиг кускового материала и охлаждение готового продукта происходит в плотном слое в противотоке продуктов горения топлива и воздуха.

Через патрубок 16, газовую трубу 15 и сопло 19 с отверстием 20 двухпроводной прямоточной горелки 5 нижнего яруса подают основное количество природного газа (55-65% от общего расхода), а через патрубок 18, воздушную трубу 17 и сопло 21 - холодный воздух - окислитель с коэффициентом расхода 0,20-0,15 от теоретического расхода воздуха на горение. Количество вводимого воздуха-окислителя обеспечивает наиболее полное проникновение струи факела в центральную (осевую) зону печи, где образуется смесь нагретого воздуха с газом, необходимая для горения факела, при этом температура поступающего снизу через зону охлаждения воздуха, в зоне горения максимальна и достигает 650-750°С.

Таким образом, смесь газа с нагретым воздухом воспламеняется в месте ввода, образуя сомкнутый горящий факел в центральной (осевой) области шахты, который благодаря действию подъемных сил и кинетической энергии проникает вверх осевой зоны шахтной газовой печи.

Одновременно с помощью двухпроводных горелок 4 верхнего яруса, через подводящий патрубок 7, газовую трубу 6 и сопло 10 с отверстиями 11 подают оставшееся количество природного газа (45-35% от общего расхода), а через подводящий патрубок 9 и воздушную трубу 8 этой горелки 4 подают основное количество холодного воздуха-окислителя с коэффициентом расхода в пределах 0,70÷0,96 от теоретического.

Благодаря лопаткам 14, установленным под углом 45° относительно продольной оси горелки, происходит крутка облегающего воздушного потока, поступающего от вентилятора (на чертеже не показан) через воздушную трубу 8. До выхода из сопла 12 газ и воздух смешиваются.

При выходе смеси из сопла 12 в рабочее пространство печи в конец зоны горения, где температура газов (продуктов горения) максимальна и составляет 1000-1300°С, происходит смешение смеси с продуктами горения и образование стабильного факела с углом раскрытия 90°, при этом благодаря образованию внутренней циркуляционной зоны происходит равномерное распределение продуктов горения в пристеночной области шахтной газовой печи.

Проведенный в опытно-промышленных условиях процесс обжига известняка крупностью 40-80 мм в заявляемой шахтной газовой печи для обжига кускового материала показал, что при изменении угла поворота лопаток завихрителя двухпроводных горелок верхнего яруса от 30 до 45° происходит изменение угла раскрытия горящего факела от 60 до 90°, при которых соответственно обеспечивается суммарная степень перекрытия сечения зоны обжига 64% и 78%, степень обжига 85% и 87%, удельная производительность печи при этом составляет 0,77 т/(м³·сут) и 0,83 т/(м³·сут) соответственно (см. Таблицу).

Таким образом, заявляемое изобретение позволяет обеспечить начало процесса горения непосредственно в месте ввода топлива и воздуха в рабочее пространство шахтной газовой печи и сократить величину зоны обжига, увеличить площадь перекрытия поперечного сечения шахты горящими факелами как в центральной, так и в пристенной области зоны обжига шахтной печи, а также регулировать температуру факела с помощью изменения угла поворота лопаточного завихрителя, что повышает качество обжига кускового материала и увеличивает производительность шахтной газовой печи.

Таблица
Результаты опытно-промышленных испытаний обжига известняка в шахтной газовой печи№ вариантаУгол поворота лопаток завихрителя (для горелок верхнего яруса), град.Угол раскрытия струи факела, град.Количество горелок, шт.Коэффициент расхода воздуха, αСуммарная степень перекрытия сечения зоны обжига, %Степень обжига, %Удельная производительность печи, т/(м³·сут)нижний ярусверхний яруснижний ярусверхний яруснижний ярусверхний ярус1302860480,2-0,150,8-0,964850,772454090480,2-0,150,8-0,978870,83Прототип (Монастырев А.В., Александров А.В. Печи для производства извести: Справочник - М.: Металлургия, с.68, 77-78, 1979).-2840410-0,2549780,70

Изобретение относится к шахтным газовым печам для обжига кускового материала, например известняка, и может быть использовано в черной и цветной металлургии, химической и строительной промышленности. Технический результат заявляемого изобретения заключается в повышении качества обжига кускового материала за счет обеспечения равномерного распределения продуктов горения в пристеночной и центральной области поперечного сечения шахты печи и, как следствие, увеличение производительности. Шахтная газовая печь для обжига кускового материала содержит футерованную шахту с зонами подогрева, обжига и охлаждения готового продукта, периферийные топливосжигающие устройства, установленные на верхнем и нижнем ярусах. Топливосжигающие устройства верхнего яруса расположены в зоне обжига. Периферийные топливосжигающие устройства нижнего и верхнего яруса выполнены в виде двухпроводных горелок с принудительной подачей воздуха, при этом двухпроводные горелки нижнего яруса расположены в зоне обжига и снабжены лопаточным завихрителем воздуха с поворотом лопаток завихрителя на угол 0-25° относительно продольной оси горелки, а двухпроводные горелки верхнего яруса снабжены лопаточным завихрителем воздуха с поворотом лопаток завихрителя на угол 30-45° относительно продольной оси горелки. 3 ил., 1 табл.

Шахтная газовая печь для обжига кускового материала, содержащая футерованную шахту с зонами подогрева, обжига и охлаждения готового продукта, периферийные топливосжигающие устройства, установленные на верхнем и нижнем ярусах, причем топливосжигающие устройства верхнего яруса расположены в зоне обжига, отличающаяся тем, что периферийные топливосжигающие устройства нижнего и верхнего ярусов выполнены в виде двухпроводных горелок с принудительной подачей воздуха, при этом двухпроводные горелки нижнего яруса расположены в зоне обжига и снабжены лопаточным завихрителем воздуха с поворотом лопаток завихрителя на угол 0-25° относительно продольной оси горелки, а двухпроводные горелки верхнего яруса снабжены лопаточным завихрителем воздуха с поворотом лопаток завихрителя на угол 30-45° относительно продольной оси горелки.