СИСТЕМА ИСПАРИТЕЛЬНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО АГРЕГАТА Российский патент 2015 года по МПК C21B7/10 

Заявляемый объект относится к черной металлургии и может быть использован для испарительного охлаждения доменных печей и клапанов горячего дутья воздухонагревателей доменных печей.

Наиболее близкой по совокупности признаков к заявляемому объекту является выбранная в качестве прототипа система испарительного охлаждения металлургического агрегата, содержащая охлаждаемые элементы и барабан-сепаратор с соединяющими их коммуникациями и трубопроводной арматурой. При этом прототип оборудован соединенной с барабаном-сепаратором системой использования тепла вырабатываемого пара для нагрева воздуха горения, подаваемого к горелкам воздухонагревателя доменной печи (Авт.св. №1321452, МПК C21B 7/10, опубл. 07.07.87).

У заявляемого объекта и выбранного прототипа совпадают такие существенные признаки. Обе системы содержат охлаждаемые элементы и барабан-сепаратор с соединяющими их коммуникациями и трубопроводной арматурой.

Анализ технических свойств прототипа, обусловленных его признаками, показывает, что получению ожидаемого технического результата при использовании прототипа препятствуют такие причины. В системе по прототипу образуется низкопотенциальный водяной пар, который не пригоден для использования в технологических и энергетических целях (вырабатывается пар с абсолютным давлением не более 1,5 бар и температурой не более 111°C), такой пар характеризуется высоким содержанием водяного конденсата и невозможностью его транспортировки на большие расстояния. Это приводит к тому, что этот пар используется для подогрева или просто сбрасывается в атмосферу, при этом безвозвратно теряется около 40 т/ч подготовленной химочищенной деаэрированной воды. Кроме того, выбрасываемый пар ухудшает экологическую обстановку, а в зимнее время конденсат в виде льда оседает на металлоконструкциях производственных помещений, нарушает работу оборудования, приводит к возникновению риска травмирования обслуживающего персонала. Все это приводит к снижению эффективности работы системы испарительного охлаждения металлургического агрегата в целом.

В основу заявляемого объекта поставлена задача создать такую систему испарительного охлаждения металлургического агрегата, в которой усовершенствования путем введения новых элементов и новых связей между элементами позволят при использовании заявляемого объекта обеспечить достижение технического результата, заключающегося в повышении эффективности работы системы испарительного охлаждения металлургического агрегата.

Поставленная зада решается за счет того, что система испарительного охлаждения металлургического агрегата, содержащая охлаждаемые элементы и барабан-сепаратор с соединяющими их коммуникациями и трубопроводной арматурой, в соответствии с заявляемым техническим решением, дополнительно оборудована средством механической компрессии пара, соединенным паропроводом насыщенного пара с барабаном-сепаратором и выполненным в виде по меньшей мере двух последовательно подключенных парокомпрессоров.

В отдельных случаях выполнения заявляемая система может характеризоваться тем, что:

- она дополнительно оснащена средством, обеспечивающим принудительную циркуляцию охлаждающей среды;

- парокомпрессоры выполнены роторными с осевой впускной частью и радиальным соплом, которое выполнено расширяющимся, оборудованы электроприводом и системой подвода и впрыска химочищенной деаэрированной воды и отвода конденсата.

При использовании заявляемого объекта обеспечивается достижение технического результата, заключающегося в повышении эффективности работы системы испарительного охлаждения металлургического агрегата при повышении параметров вырабатываемого ею пара и при обеспечении возможности его транспортировки и дальнейшего использования для технологических и энергетических нужд. Кроме того, при использовании заявляемого объекта обеспечивается достижение дополнительного технического результата, заключающегося в сокращении потерь химочищенной деаэрированной воды.

Между совокупностью существенных признаков заявляемого объекта и достигаемым техническим результатом существует такая причинно-следственная связь.

Дополнительное оборудование заявляемой системы испарительного охлаждения средством механической компрессии пара, которое соединено паропроводом насыщенного пара с барабаном-сепаратором и выполнено в виде по меньшей мере двух последовательно подключенных парокомпрессоров, обеспечивает последовательное, по меньшей мере, в два этапа, прямое сжатие пара с увеличением давления и с повышением температуры, обеспечивая повышение параметров пара, вырабатываемого системой испарительного охлаждения металлургического агрегата, а также обеспечивая возможность его транспортировки и использования для технологических и энергетических нужд. Кроме того, повышение параметров пара до таких величин, которые позволяют его использовать для технологических и энергетических нужд, позволяет предотвратить потери химочищенной деаэрированной воды и сократить ее расход на приготовление пара для технологических и энергетических процессов, в которые направляется перегретый пар из заявляемой системы.

Дополнительное оснащение заявляемой системы средством, обеспечивающим принудительную циркуляцию охлаждающей среды (например, циркуляционными насосами), позволяет обеспечить оптимальные скорости охлаждающей среды в контурах охлаждения, снизить вероятность пульсационных колебаний циркуляционных контуров охлаждения, позволяет повысить параметры пароводяной смеси, образующейся в охлаждаемых элементах, и способствует повышению эффективности протекания последующих процессов повышения параметров пара в парокомпрессорах, что, в свою очередь, обеспечивает стабильность, надежность и повышение эффективности работы системы испарительного охлаждения металлургического агрегата в целом.

Оборудование заявляемой системы по меньшей мере двумя последовательно подключенными парокомпрессорами, которые выполнены роторными с осевой впускной частью и радиальным соплом, выполненным расширяющимся, и оборудованы электроприводом, а также системой подвода и впрыска химочищенной деаэрированной воды и отвода конденсата позволяет технологически просто обеспечивать ступенчатое повышение давления и температуры пара без превышения критических показателей с наименьшими затратами, а также позволяет обеспечить надежность, эффективность и долговечность работы парокомперессоров. Все это обеспечивает повышение эффективности работы системы испарительного охлаждения металлургического агрегата при повышении параметров вырабатываемого ею пара, а также обеспечивает возможность его транспортировки и дальнейшего использования для технологических и энергетических нужд.

Применение парокомпрессоров роторного типа с осевой впускной частью и радиальным расширяющимся соплом позволяет конструктивно просто обеспечить наибольшую эффективность процесса поэтапного (ступенчатого) повышения параметров пара, оптимизировать скорость и давление пара на выходе из предыдущего парокомпрессора и входе в последующий при последовательном подключении парокомпрессоров, обеспечить транспортировку пара для дальнейшего использования для технологических и энергетических нужд применительно к качественным и количественным показателям пара, вырабатываемого системой испарительного охлаждения металлургического агрегата и используемого в металлургическом производстве. Кроме того, обеспечивается компактность размещения по меньшей мере двух последовательно подключенных парокомпрессоров в условиях действующих производств с минимальными затратами.

Оборудование роторных парокомпрессоров системой подвода и впрыска химочищенной деаэрированной воды и отвода конденсата позволяет обеспечить подвод и впрыскивание воды в парокомпрессор, например путем распыления с помощью форсунок, а также предотвратить накопление капельной влаги в виде конденсата и обеспечить оптимальный режим работы парокомпрессора. Кроме того, впрыскивание воды обеспечивает очистку рабочего органа парокомпрессора во время эксплуатации и предотвращение налипаний, что, в свою очередь, предотвращает его разбалансировку. Все это обеспечивает повышение эффективности работы системы испарительного охлаждения металлургического агрегата в целом при повышении параметров вырабатываемого ею пара и при обеспечении возможности его транспортировки и дальнейшего использования для технологических и энергетических нужд.

Сущность заявляемого объекта поясняется чертежом, на котором изображена принципиальная схема системы испарительного охлаждения такого металлургического агрегата, как доменная печь, с изображением четырех парокомпрессоров.

На чертеже позициями обозначены такие элементы:

1 - барабан-сепаратор;

2 - холодильные плиты;

3 - опускной трубопровод;

4 - главный распределительный коллектор;

5 - всасывающий участок главного распределительного коллектора;

6 - напорный участок главного распределительного коллектора;

7 - всасывающий трубопровод;

8 - циркуляционные насосы;

9 - нагнетательный трубопровод;

10 - опускные трубопроводы;

11 - опускные коллекторы;

12 - индивидуальные опускные трубопроводы;

13 - соединительные калачи;

14 - индивидуальные подъемные трубопроводы;

15 - подъемные коллекторы;

16 - подъемные трубопроводы;

17 - паропровод насыщенного пара;

18 - парокомпрессоры;

19 - соединительные паропроводы;

20 - паропровод перегретого пара на технологические нужды;

21 - трубопровод для подвода химочищенной деаэрированной воды;

22 - повысительный насос химочищенной деаэрированной воды;

23 - нагнетательные трубопроводы химочищенной деаэрированной воды;

24 - конденсатопроводы для отвода конденсата;

25 - конденсатосборник;

26 - общий трубопровод отвода конденсата;

27 - конденсатоотводчик;

28 - конденсатный насос;

29 - трубопроводная арматура (обратный клапан);

30 - трубопроводная арматура (затвор);

31 - трубопроводная арматура (затвор);

32 - трубопроводная арматура (затвор).

В конкретном примере исполнения заявляемая система испарительного охлаждения, например, доменной печи, оборудована двумя отдельными вертикальными секциями охлаждения аналогичной конструкции, которые совместно охватывают доменную печь по высоте с двух противоположных сторон (на чертеже показана одна секция). Каждая вертикальная секция содержит барабан-сепаратор 1 и холодильные плиты 2 с соединяющими их коммуникациями и трубопроводной арматурой.

Барабан-сепаратор 1 соединен общим опускным трубопроводом 3 с главным распределительным коллектором 4, который трубопроводной арматурой 29 (обратный клапан) разделен на всасывающий участок 5 и напорный участок 6. При этом всасывающий участок 6 соединен с общим опускным трубопроводом 3, а также через трубопроводную арматуру 30 (затвор) соединен со всасывающим трубопроводом 7 циркуляционных насосов 8 (один рабочий, один резервный), а напорный участок 6 соединен через трубопроводную арматуру 31 (затвор) с нагнетательным трубопроводом 9 циркуляционных насосов 8 и через трубопроводную арматуру 32 (затвор), опускные трубопроводы 10, опускные коллекторы 11 и индивидуальные опускные трубопроводы 12 - с нижним рядом холодильных плит 2 заплечиков доменной печи. Холодильные плиты 2 выполнены, например, с залитыми в двух плоскостях охлаждаемыми трубками в виде змеевиков (на чертеже не показано), при этом холодильные плиты 2 (их змеевики) по высоте соединены между собой калачами 13, образуя вертикальный циркуляционный контур. Каждая секция содержит, например, четыре вертикальных циркуляционных контура охлаждения. Верхний ряд холодильных плит 2 (их змеевики) шахты доменной печи соединен через подъемные индивидуальные трубопроводы 14, подъемные коллекторы 15, подъемные трубопроводы 16 с барабаном-сепаратором 1. Барабан-сепаратор 1 расположен в высшей точке описанного циркуляционного контура.

Кроме того, барабан-сепаратор 1 соединен с помощью паропровода 17 насыщенного пара с, например, четырьмя роторными парокомпрессорами 18, которые выполнены с осевой впускной частью и радиальным расширяющимся соплом и подключены последовательно с помощью соединительных паропроводов 19. Последний (по ходу пара) парокомпрессор 18 соединен с паропроводом перегретого пара 20 для отвода пара на технологические нужды.

Роторные парокомпрессоры 18 оборудованы электроприводами, обеспечивающими вращение рабочего органа (на чертеже не показано) и системой подвода и впрыска химочищенной деаэрированной воды и отвода конденсата, которая содержит трубопровод 21 подвода воды, повысительный насос 22, нагнетательные трубопроводы 23 для подвода воды в парокомпрессоры 18, а также конденсатопроводы 24 для отвода конденсата через конденсатоотводчики 27 в конденсатосборник 25, который общим трубопроводом 26 отвода конденсата соединен с трубопроводом 21. Впрыск конденсата в трубопровод 21 обеспечивается с помощью конденсатного насоса 28.

Охлаждение доменной печи после первоначального заполнения заявляемой системы осуществляется следующим образом. Из барабана-сепаратора 1 охлаждающая вода поступает через общий опускной трубопровод 3 во всасывающий участок 5 главного распределительного коллектора 4, откуда при открытой трубопроводной арматуре 30 (затвор) через всасывающий трубопровод 7 всасывается циркуляционными насосами 8, которые обеспечивают необходимый напор для преодоления гидравлического сопротивления системы и создания оптимальной скорости пароводяной смеси в змеевиках холодильных плит 2. Далее вода поступает по нагнетательному трубопроводу 9 через открытую трубопроводную арматуру 31 (затвор) в напорный участок 6 главного распределительного коллектора 4, создавая необходимое давление для закрытия трубопроводной арматуры 29 (обратный клапан) и обеспечивая отключение напорного участка 6 от всасывающего участка 5. Далее поток охлаждающей воды разделяется, например, на четыре параллельных потока по числу вертикальных контуров охлаждения (при этом в каждом охлаждаемом контуре обеспечивается заданный расход воды) и при открытой трубопроводной арматуре 32 (затворы) по опускным трубопроводам 10 поступает к опускным коллекторам 11, от которых по индивидуальным опускным трубопроводам 12 вода поступает к нижнему ряду холодильных плит 2 заплечиков доменной печи. Вода, проходящая по змеевикам, отбирает тепло от холодильных плит 2 и нагревается до образования пароводяной смеси. Использование циркуляционных- насосов 8 способствует повышению эффективности образования пароводяной смеси и повышению ее параметров. Образовавшаяся пароводяная смесь от верхнего ряда холодильных плит 2 шахты доменной печи по индивидуальным подъемным трубопроводам 14 поступает в подъемные коллекторы 15 и далее по подъемным трубопроводам 16 в барабан-сепаратор 1, где происходит отделение насыщенного пара от воды. Вода из барабана-сепаратора 1 через общий опускной трубопровод 3 снова поступает во всасывающий участок 5 главного распределительного коллектора 4, и процесс повторяется.

Отсепарированный насыщенный пар с абсолютным давлением 1,5 бар и температурой ~111°C из барабана-сепаратора 1 подается по паропроводу насыщенного пара 17 в осевую впускную часть первого роторного парокомпрессора 18 (первая ступень компрессии), где его давление повышается до 2 бар, а температура до 121,15°C. Далее пар из радиального расширяющегося сопла первого парокомпрессора 18 по соединительному паропроводу 19 поступает в осевую впускную часть второго парокомпрессора 18 (вторая ступень компрессии), где его давление и температура повышаются, соответственно, до 2,7 бар и 130,15°C. Далее пар из радиального расширяющегося сопла второго парокомпрессора 18 по соединительному паропроводу 19 поступает в осевую впускную часть третьего парокомпрессора 18 (третья ступень компрессии), где его давление и температура повышаются, соответственно, до 3,6 бар и 139,65°C. Далее пар из радиального расширяющегося сопла третьего парокомпрессора 18 по соединительному паропроводу 19 поступает в осевую впускную часть четвертого парокомпрессора 18 (четвертая ступень компрессии), где его давление и температура повышаются, соответственно, до 4,6 бар и 200°C. После чего перегретый пар из радиального расширяющегося сопла четвертого парокомпрессора 18 по паропроводу 20 перегретого пара направляется на технологические нужды.

Использование четырех последовательно подключенных роторных парокомпрессоров позволяет повысить параметры пара с исходным абсолютным давлением 1,5 бар и температурой 111,4°C до конечного абсолютного давления 4,6 бар и температуры 200°C при расходе 12,9 т/час, обеспечивая возможность его транспортировки и дальнейшего использования в доменном цехе, например, для колошникового устройства, бункеров бесконусного загрузочного устройства, для продувки уравнительных клапанов и зондов, для продувки газопроводов чистого газа воздухонагревателей, для продувки газопроводов природного газа, при заполнении пылеуловителя, для уплотнения седла отсекающего клапана, для обогрева сальника штанги отсекающего клапана, в винтовом транспортере, для увлажнения дутья и обогрева азотопроводов и импульсных трасс.

Для обеспечения оптимального режима работы парокомпрессоров 18, а также очистки их рабочего органа и предотвращения налипаний из трубопровода 21 с помощью повысительного насоса 22 по нагнетательным трубопроводам 23 в них подается химочищенная деаэрированная вода, которая впрыскивается в корпус парокомпрессоров, например, путем распыления с помощью форсунок (на чертеже не показано). При этом капельная влага в виде конденсата отводится с помощью конденсатоотводчиков 27 через конденсатопроводы 24 в конденсатосборник 25, из которого при работе конденсатного насоса 28 по трубопроводу 26 впрыскивается в трубопровод 21.

В заявляемой системе охлаждения металлургического агрегата потери воды восполняются химочищенной деаэрированной водой, которая подается в барабан-сепаратор 1, обеспечивая постоянное поддержание ее необходимого уровня (на чертеже не показано).

В случае эксплуатации заявляемой системы без использования средства, обеспечивающего принудительную циркуляцию охлаждающей среды (без циркуляционных насосов 8), при закрытой трубопроводной арматуре (затворах) 30 и 31 на всасывающем 7 и нагнетательном 9 трубопроводах, соответственно, и отсутствии давления воды на напорном участке 6 открывается трубопроводная арматура 29 (обратный клапан), обеспечивая поступление воды из всасывающего участка 5 напрямую в напорный участок 6 главного распределительного коллектора 4. Далее работа системы без использования средства, обеспечивающего принудительную циркуляцию охлаждающей среды, аналогична работе системы с его использованием, а циркуляция воды обеспечивается за счет разности удельных весов воды и пароводяной смеси.

Все это за счет повышения параметров пара, вырабатываемого заявляемой системой, и обеспечения возможности его транспортировки и дальнейшего использования для технологических нужд обеспечивает повышение эффективности работы системы испарительного охлаждения металлургического агрегата в целом.

Изобретение относится к черной металлургии и может быть использовано для испарительного охлаждения доменных печей и клапанов горячего дутья воздухонагревателей доменных печей. Система испарительного охлаждения содержит охлаждаемые элементы и барабан-сепаратор с соединяющими их коммуникациями и трубопроводной арматурой. Кроме того, система оборудована средством механической компрессии пара, выполненным в виде по меньшей мере двух последовательно подключенных с помощью соединительных паропроводов парокомпрессоров и соединенным паропроводом насыщенного пара с барабаном-сепаратором. Использование изобретения обеспечивает повышение эффективности работы системы испарительного охлаждения. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Система испарительного охлаждения металлургического агрегата, содержащая охлаждаемые элементы и барабан-сепаратор с соединяющими их коммуникациями и трубопроводной арматурой, отличающаяся тем, что она снабжена по меньшей мере двумя соединенными последовательно с помощью соединительных паропроводов парокомпрессорами, первый из которых соединен паропроводом насыщенного пара с барабаном-сепаратором, а последний - с паропроводом перегретого пара.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что она дополнительно оборудована средством, обеспечивающим принудительную циркуляцию охлаждающей среды.

3. Система по п.1 или 2, отличающаяся тем, что парокомпрессоры выполнены роторными с осевой впускной частью и радиальным соплом, которое выполнено расширяющимся, оборудованы электроприводом и системой подвода и впрыска химочищенной деаэрированной воды и отвода конденсата.