Способ и устройство для нагревания печи Российский патент 2021 года по МПК F27B7/08 

Представленное изобретение относится к способу и устройству для нагревания печи. В частности, данное изобретение относится к продольно воспламеняемым печам постоянного действия, предназначенным для повторного нагревания металлических материалов, например различных видов стали.

Во многих постоянно действующих печах повторного нагрева используют высокоскоростную продувку первичным окислителем, например, для увеличения тепловой однородности в печи. Некоторые такие печи являются продольно воспламеняемым печами, что в данном документе означает, что по меньшей мере одна форсунка расположена так, что ее пламя распространяется по существу в продольном направлении зоны нагревания рассматриваемой печи.

В частности, в вариантах применения с продольным горением для беспламенного горения с пониженным образованием окислов азота NO_x, в которых окислитель подают на высокой скорости из местоположения фурмы, отделенного от впуска для топлива, тепло, возникающее при сжигании такого топлива, может быть перенесено сравнительно далеко ниже по потоку к впуску рассматриваемой зоны нагревания, приводя к тому, что высокотемпературные отработавшие газы выходят из зоны нагревания. Это приводит к термическим потерям.

Представленное изобретение решает вышеописанные проблемы, в частности, для печей, в которых обеспечена высокоскоростная подача первичного окислителя, в частности для таких печей, в которых первичный окислитель подают из местоположения, которое отделено от соответствующего впуска для первичного топлива (отделенный впрыск топлива), например, с отделением по меньшей мере на 50 см.

В частности, настоящее изобретение позволяет решить эти проблемы в случае использования печи с по меньшей мере одной продольно воспламеняемой воздушной форсункой, которая дополнена по меньшей мере одной высокоскоростной высококислородной фурмой для окислителя.

Таким образом, настоящее изобретение относится к способу нагревания печи, имеющей продольное направление и поперечную плоскость, которая перпендикулярна продольному направлению, при этом указанная печь содержит по меньшей мере одну зону нагревания, которую нагревают с использованием по меньшей мере одной форсунки, обеспечивающей создание пламени, которое распространяется в указанном продольном направлении, причем в форсунку поступает топливо и первичный окислитель, при этом способ отличается тем, что с помощью указанной форсунки обеспечивают соотношение подаваемого топлива и первичного окислителя, при котором обеспечивается сжигание менее 90% подаваемого топлива с использованием первичного окислителя, при этом имеется по меньшей мере две пары фурм вторичного окислителя, по одной паре на каждой стороне печи, которые направлены в зону нагревания для подачи вторичного окислителя в указанную зону нагревания ниже по потоку от указанной форсунки, по существу параллельно поперечной плоскости, при этом температуру измеряют вдоль горизонтальной линии, параллельной указанной поперечной плоскости ниже по потоку от указанных фурм, причем каждая из указанных пар фурм содержит соответствующую первую фурму и соответствующую вторую фурму, причем вторая фурма расположена ниже по потоку от рассматриваемой первой фурмы, и первая фурма в каждой паре фурм выполнена с возможностью управления для работы с более низкой скоростью подачи, чем вторая фурма в каждой паре, при этом количество вторичного окислителя, подаваемого через соответствующую первую фурму каждой пары, регулируют так, чтобы получить однородный температурный профиль вдоль указанной линии.

Ниже приведено подробное описание настоящего изобретения со ссылкой на примерные варианты его выполнения и на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг. 1 упрощенно изображает вид сбоку печи с нагревательной системой согласно представленному изобретению, предназначенной для осуществления способа согласно изобретению;

Фиг. 2 упрощенно изображает вид сверху печи, показанной на Фиг. 1;

Фиг.3 упрощенно изображает подробный вид фурмы для вторичного окислителя согласно представленному изобретению; и

Фиг. 4 изображает схему, иллюстрирующую способ согласно изобретению.

На Фиг. 1 и 2 одинаковыми номерами позиций обозначены одинаковые или соответствующие элементы.

Фиг. 1 и 2 изображают промышленную печь 100, имеющую продольное направление D и поперечную плоскость С, которая перпендикулярна продольному направлению D. Печь 100 предпочтительно содержит несколько зон 110, 120, 130, 140 нагревания, через которые перемещают металлический материал 104, предпочтительно в продольном направлении D, в результате чего происходит нагревание материала 104 на пути от входной двери 101 к выходной двери 102. Предпочтительно, темная зона 110 расположена вблизи входной двери 101, при этом темная зона 110 не нагревается непосредственно с использованием каких-либо форсунок, расположенных в ней.

Предпочтительно печь 100 представляет собой нагревательную печь непрерывного действия, а материал 104 предпочтительно является металлическим материалом, таким как сталь. Как правило, материал 104 предпочтительно нагревают до температуры выше примерно 1000°С.

Печь 100 содержит несколько зон 110, 120, 130, 140 нагревания. В соответствии с изобретением печь 100 имеет по меньшей мере одну зону нагревания, которую нагревают с использованием по меньшей мере одной форсунки, создающей пламя, которое распространяется в продольном направлении D, причем в форсунку обеспечена подача топлива и первичного окислителя. На чертежах зоны 120 и 130 представляют собой зоны, нагреваемые с использованием форсунок 122, 132, которые воспламеняются в продольном направлении, как объяснено выше, так, что их пламя распространяется в соответствующих направлениях 122а, 132а по существу в продольном направлении D, предпочтительно проходя во встречном направлении относительно направления перемещения нагреваемого материала 104. Таким образом, зона 120 не является темной зоной.

Следует отметить, что каждая зона 110, 120, 130, 140, как правило, содержит и верхнюю, и нижнюю зоны. Номером 121 позиции обозначена перегородка, предназначенная для отделения зоны 110 от зоны 120.

Топливо может быть газообразным, жидким или твердым. Первичным окислителем может быть воздух или любой другой окислитель. Предпочтительно по меньшей мере одна из указанных форсунок 122, используемых для нагревания той зоны или тех зон 120, в которых применяется представленное изобретение (в примере, изображенном на Фиг. 1 и 2 - только зона 120), модифицирована или была модифицирована для обеспечения подачи высококислородного окислителя посредством соответствующей отдельной фурмы 124 для первичного окислителя (см. Фиг. 2), которая установлена на расстоянии от соответствующей рассматриваемой форсунки 122, по меньшей мере на расстоянии 50 см от впуска для топлива в форсунке 122. С помощью управляющего устройства 160 по линии 165 в фурму 124 обеспечена подача первичного окислителя. Подаваемый первичный окислитель, образующий струю 124а по существу в направлении ниже по потоку в продольном направлении D, предпочтительно может быть единственным используемым первичным окислителем, однако он также может быть использован в дополнение к первичному окислителю, подаваемому непосредственно через форсунку 122. Подаваемый первичный окислитель предпочтительно подают на высокой скорости, по меньшей мере 1 М. Это обеспечивает очень высокую термическую эффективность и снижение образования NO_x, в частности, если первичный окислитель содержит предпочтительно промышленно чистый кислород с массовой долей по меньшей мере 85% или даже более.

Предпочтительно, каждая из форсунок 122, дополненная с помощью соответствующей фурмы 124 для первичного окислителя, является имеющейся в печи форсункой 122, предпочтительно воздушной форсункой, которая преобразована с помощью указанной фурмы 124, и в результате такого преобразования некоторые или все первичные окислители (соответственно, предпочтительно являющиеся воздухом) заменены описанным выдуваемым первичным окислителем.

Как видно на Фиг. 2, форсунки 122 направлены так, что их пламя направлено примерно вниз. Однако соответствующая горизонтальная составляющая их пламени предпочтительно по существу параллельна продольному направлению D.

Представленное изобретение позволяет решить проблемы, возникающие при работе печи 100, в частности, с помощью указанных форсунок продольного горения со смещенным впрыском топлива, описанной высокой скоростью и вдуванием первичного окислителя с высоким содержанием кислорода, причем первичный окислитель подают на расстоянии от указанной форсунки 122.

В соответствии с настоящим изобретением форсунка 122 выполнена с возможностью регулирования соотношения подаваемого топлива и первичного окислителя независимо от того, подан ли первичный окислитель через форсунку 122 и/или через отдельную фурму 124, обеспечивая сжигание менее 90%, предпочтительно менее 50%, предпочтительно около 25%, например от 20% до 40% поданного топлива с использованием первичного окислителя. Другими словами, сжигаемая смесь, подаваемая через форсунки 122, является субстехиометрической. Предпочтительно, атмосфера в печи в подзоне А1 непосредственно ниже по потоку от форсунок 122 является субстехиометрической, предпочтительно так, что для стехиометрического сжигания горючего топлива во время работы печи 100 потребуется по меньшей мере на 100% больше кислорода по сравнению с тем количеством, которое доступно в ней.

В соответствии с настоящим изобретением предусмотрены две пары 151, 152 и 153, 154 фурм для вторичного окислителя, по одной паре на каждой боковой стороне печи 100, при этом они направлены в зону 120 нагревания, в которой расположена вышеописанная имеющаяся форсунка 122. Фурмы для вторичного окислителя предназначены для выдувания вторичного окислителя в зону 120 печи в местоположении ниже по потоку от форсунки 120, при этом соответствующая струя 155 вторичного окислителя направлена по существу параллельно поперечной плоскости С. Предпочтительно, выдуваемые струи 155 вторичного окислителя направлены по существу перпендикулярно пламени форсунки 122, по меньшей мере как видно в проекции на горизонтальную плоскость.

Предпочтительно, фурмы 151, 152, 153, 154 расположены над нагреваемым материалом 104 в верхней зоне, предпочтительно с обеспечением прохождения их пламени над нагреваемым материалом 104.

Кроме того, в соответствии с изобретением температуру атмосферы в печи 100 измеряют вдоль горизонтальной линии, параллельной указанной поперечной плоскости С, ниже по потоку от фурм 151, 152, 153, 154. На Фиг. 2 вдоль такой воображаемой линии показаны три иллюстративных температурных датчика 168а, 168b, 168с, каждый из которых передает соответствующие измеренные значения управляющему устройству 160. Датчики 168а, 168b, 168с предпочтительно расположены симметрично вдоль указанной горизонтальной линии и предпочтительно содержат один датчик 168а, 168с на каждой боковой стороне зоны 120 нагревания, предпочтительно предназначенный для измерения температуры на краю боковой стороны нагреваемого материала 104, и по меньшей мере один датчик 168b, предназначенный для измерения температуры между ними, предпочтительно в центральной части зоны 120 или вблизи нее вдоль указанной горизонтальной линии.

В соответствии с изобретением каждая из указанных пар 151, 152; 153, 154 фурм содержит первую фурму 152, 154 и вторую фурму 151, 153. Каждая соответствующая вторая фурма 151, 153 расположена ниже по потоку - другими словами, вдоль продольного направления D, но вдоль направления общего потока газов атмосферы печи в зоне 120, - от соответствующей первой фурмы 152, 154. Кроме того, первая фурма 152, 154 в каждой паре фурм выполнена с возможностью управления для работы с меньшей скоростью подачи, чем вторая фурма 151, 153 в каждой паре, при этом количество вторичного окислителя, подаваемого через соответствующую первую фурму 152, 154 в каждой паре, регулируется, например, на основании значений, измеренных датчиками 168а, 168b, 168с, для получения однородного температурного профиля вдоль указанной горизонтальной линии.

Другими словами, продольно воспламеняемая форсунка 122 выполнена с возможностью субстехиометрического управления, и дополнительный, вторичный окислитель подают через фурмы 151-154, при этом его подают с боковых сторон печи в соответствующем направлении, которое перпендикулярно общему газовому потоку, создаваемому форсункой 122. Первые фурмы 152, 154 со сравнительно низкой скоростью подачи обеспечивают возможность управления температурой в боковом направлении, а фурмы 151, 153 со сравнительно высокой скоростью подачи обеспечивает однородность температур в боковом направлении и рассеянное горение. При таком рассеянном горении обеспечивается снижение образования NO_x. Таким образом, благодаря указанной конструкции обеспечивается возможность точного регулирования температуры в боковом направлении в зоне 120 нагревания с одновременным обеспечением высокой эффективности в зоне 120 нагревания и снижения образования NO_x. В частности, это может быть достигнуто при использовании стандартно оборудованной зоны 120 нагревания, которая может быть преобразована с помощью фурм 124, 151, 152, 153, 154 и управляющего устройства 160 при сравнительно невысоких затратах. Благодаря высокоскоростным вторым фурмам 151, 153 вторичный окислитель, поданный через первые фурмы 152; 154 со сравнительно более низкой скоростью, не остается на стенке печи (вследствие эффекта Коанда), что приводит к дополнительному снижению вероятности перегрева боковых краев материала 104.

Кроме того, поскольку вблизи форсунки 122, где материал 104 горячее, горение является субстехиометрическим, образование окисла на поверхности материала 104 также снижается.

Более того, материал 104 нагревается в более раннем местоположении в печи без установки каких-либо дополнительных отдельных форсунок в таком местоположении нагревания. На практике было установлено, что такой нагрев трудно получить при более простом решении для выдувания, поскольку это обычно приводит к неоднородному распределению температур.

Фурмы 151, 152, 153, 154 предпочтительно размещены на стороне печи 100, отличной от ее потолка или основания.

В соответствии с предпочтительным вариантом выполнения длина в продольном направлении зоны 120 нагревания, в которой используется данное изобретение, составляет от 5 до 15 метров, а ширина в боковом направлении зоны 120 предпочтительно составляет по меньшей мере 4 метра, более предпочтительно по меньшей мере 8 метров. В такой зоне 120 нагревания преимущества представленного изобретения проявляются наилучшим образом.

Массовая доля вторичного окислителя, который подают через фурмы 151, 152, 153, 154, составляет по меньшей мере 50%, предпочтительно по меньшей мере 65%, более предпочтительно по меньшей мере 70% от общего количества поданных первичного и вторичного окислителей. Более того, вторичный окислитель предпочтительно содержит кислород с массовой долей по меньшей мере 85%, еще более предпочтительно - промышленно чистый кислород. Это обеспечивает очень высокую эффективность горения с одновременным достижением других отмеченных преимуществ представленного изобретения.

Также предпочтительно, в каждой паре 151, 152; 153, 154 обеспечена возможность работы второй фурмы 151, 153 со скоростью подачи, которая по меньшей мере в 2 раза, предпочтительно по меньшей мере в 4 раза, наиболее предпочтительно по меньшей мере в 8 раз превышает скорость подачи соответствующей первой фурмы 152, 154. В частности, соответствующая вторая фурма 151, 153 выполнена с возможностью подачи струи выдуваемого второго окислителя со скоростью по меньшей мере 1 М, более предпочтительно по меньшей мере 1,2 М, еще более предпочтительно по меньшей мере 1,3 М. Первые фурмы 152, 154 предпочтительно выполнены с возможностью подачи соответствующей струи вторичного окислителя со скоростью по меньшей мере 50 м/с.

В соответствии с предпочтительным вариантом выполнения, который изображен на Фиг. 2, в каждой паре 151, 152; 153, 154 фурм для первых фурм 152, 154 и вторых фурм 151, 153 обеспечен один общий источник 166 вторичного окислителя, который выполнен с возможностью подачи вторичного окислителя к управляющему устройству 160 по линии 167. От управляющего устройства 160 вторичный окислитель направляется по соответствующим линиям 161, 162, 163, 164 к фурмам 151, 152, 153, 154.

Предпочтительно, соответствующее сопло каждой первой фурмы 152, 154 больше, чем сопло соответствующей второй фурмы 151, 153, для обеспечения подачи вторичного окислителя из первых фурм 152, 154 под меньшим давлением, чем из вторых фурм 151, 153 в том случае, когда давление в линиях 161 и 162 и соответственно в линиях 163 и 164 одинаково. Предпочтительно это может иметь место в том случае, когда не обеспечено динамическое управление или регулирование давления в фурмах 151, 152, 153, 154. Например, первые фурмы 152, 154 могут иметь сопла с внутренним диаметром 28-30 мм, а вторые фурмы 151, 153 могут иметь расширяющиеся сопла с внутренним диаметром около 16 мм. Обычно сопла первых фурм 152, 154 могут иметь внутренние диаметры, которые на 50%-150% больше, чем внутренние диаметры сопел вторых фурм 151, 153.

В частности, предпочтительно для каждой пары фурм 151, 152; 153, 154 отверстие сопла соответствующей первой фурмы 152, 154 выбрано так, чтобы обеспечить возможность подачи соответствующего количества вторичного окислителя с использованием стандартного источника 166 вторичного окислителя через первую фурму 152, 154 в том случае, когда не обеспечено динамическое управление или настраиваемое регулирование первой фурмы 152, 154, для получения определенного нагревания той боковой части зоны 120, которая расположена вблизи отверстия первой фурмы 152, 154 во время работы форсунки 122. Предпочтительно указанное определенное нагревание является по меньшей мере настолько интенсивным, что заданный максимум температуры, выше которого материал 104 не должен быть нагрет в печи 100, достигается на боковом крае материала 104 во время его прохождения через зону 120, и предпочтительно даже более интенсивным.

Затем регулирование вторичного окислителя, подаваемого в соответствующую первую фурму 152, 154 в каждой паре 151, 152; 153, 154, осуществляемое с помощью устройства 160 во время процедуры нагревания и с использованием подходящих клапанных устройств и т.п., обеспечивает возможность регулируемого уменьшения количества вторичного окислителя, подаваемого через соответствующую первую фурму 152, 154 для достижения интенсивности, которая является достаточно низкой для предотвращения перегрева бокового края материала 104, как описано ниже.

Предпочтительно в каждой паре 151, 152; 153, 154 фурм осуществляется регулирование количества вторичного окислителя, подаваемого в единицу времени через соответствующую вторую фурму 151, 153, для обеспечения поступления требуемого общего количества подаваемого кислорода в зону 120 нагревания или по меньшей мере в подзону А2, расположенную ниже по потоку (слева на Фиг. 1 и 2) от указанной субстехиометрически управляемой зоны А1, предпочтительно с достижением общей стехиометрии или по меньшей мере по существу общей стехиометрии в зоне 120 нагревания или в подзоне А2, также принимая во внимание субстехиометрические газы, поступающие из зоны 130 нагревания, расположенной выше по потоку.

В то же время предпочтительно, чтобы в каждой паре 151, 152; 153, 154 регулирование вторичного окислителя, подаваемого через соответствующую первую фурму 152, 154, осуществлялось с помощью управляющего устройства 160 независимо от вторичного окислителя, подаваемого через соответствующую вторую фурму 151, 153. Это означает, что в результате управления работой соответствующей первой фурмы 152, 154 горючая смесь в зоне 120 нагревания временно становится нестехиометрической. Однако такая нестехиометричность со временем будет скорректирована в результате управления работой второй соответствующей фурмы 151, 153. Аналогичное утверждение справедливо для случая, когда необходимо обеспечить определенное общее нестехиометрическое количественное соотношение окислителя/топлива в зоне 120, причем в этом случае регулируют работу вторых фурм 151, 153 для получения такого количественного соотношения. Количественные соотношения могут быть измерены непосредственно или косвенно путем измерения объема подаваемого топлива и окислителей. Предпочтительно общее количество поданного окислителя регулируют на основании общей мощности печи 100 или зоны 120, измеренной с использованием соответственно расположенных датчиков температуры. Один особенно простой способ управления потоком второго окислителя, подаваемого через вторые фурмы 151, 153, заключается в обеспечении подачи окислителя к фурмам 151, 152, 153, 154 из одного и того же источника 166 вторичного окислителя, а также в обеспечении подачи вторичного окислителя вместо первых фурм 152, 154 через вторые фурмы 151, 153 с поддержанием при этом постоянного общего количества подаваемого вторичного окислителя.

Таким образом, работой первых фурм 152, 154 управляют с помощью управляющего устройства 160 на основании данных, считываемых с датчиков 168а, 168b, 168с, расположенных вдоль указанной горизонтальной линии, для получения однородного температурного профиля вдоль указанной горизонтальной линии. Поскольку первые фурмы 152, 154 предназначены, главным образом, для нагревания боковых сторон зоны 110 нагревания и, как следствие, боковых сторон материала 104, и поскольку вторые фурмы 151, 153 обеспечивают более диффузное нагревание зоны 110, в частности ее боковых центральных частей, это означает, что данное управление осуществляют путем нагревания сравнительно более холодных боковых сторон зоны 110 до температуры, соответствующей температуре, измеренной с помощью датчиков 168b температуры, расположенных по центру вдоль указанной линии, путем увеличения подачи из первой фурмы 152, 154 вторичного окислителя, подаваемого на сравнительно низкой скорости, для увеличения температуры боковой стороны.

На практике регулирование общего количества первичного и вторичного окислителей может осуществляться с помощью регулятора нормы на основании количества топлива, требуемого для достижения необходимой температуры. Разделение подачи вторичного окислителя может быть определено оператором. Соотношение количества вторичного окислителя, поданного с использованием фурм 152, 154 с каждой стороны печи, может регулироваться для достижения одинаковой температуры на сторонах печи по показаниям датчиков 168а, 168с. Соответствующее разделение подачи вторичного окислителя, поступающего через первые, низкоскоростные фурмы 152, 154, по сравнению со вторыми, высокоскоростными фурмами 151, 153, может быть отрегулировано для достижения равной температуры на сторонах и в центральной части по показаниям датчика 168b.

В особенно простом, но при этом преимущественном варианте выполнения имеется три датчика 168а-168с, как показано на Фиг. 2: по одному на каждой боковой стороне и один в центральной части печи 100. Температура, измеренная с помощью двух самых левых в боковом направлении датчиков 168а, 168b, используется для управления работой левой в боковом направлении первой фурмы 152 с использованием соответствующего клапана в управляющем устройстве 160, при этом температура, измеренная с помощью двух самых правых в боковом направлении датчиков 168b, 168с, используется для управления работой правой в боковом направлении первой фурмы 154 с использованием соответствующего клапана в устройстве 160. Таким образом, трех датчиков температуры достаточно для достижения указанных целей.

Предпочтительно горизонтальная линия, вдоль которой расположены датчики 168а-168с температуры, проходит ниже по потоку (слева на Фиг. 1 и 2) от вторых фурм 151, 153, предпочтительно по меньшей мере на 0,5 метра ниже по потоку от них.

В соответствии с предпочтительным вариантом выполнения соответствующая первая фурма 152; 154 в указанных парах 151, 152; 153, 154 фурм расположена в продольном направлении D на расстоянии от форсунки 122, которое составляет по меньшей мере 40%, предпочтительно по меньшей мере 50% от расстояния между форсункой 122 и краем зоны 120, расположенным ниже по потоку в продольном направлении (слева на Фиг. 1 и 2). Таким образом, предпочтительно, чтобы соответствующая вторая фурма 151, 153 в указанных парах 151, 152; 153, 154 была расположена в продольном направлении на расстоянии от форсунки 122, которое составляет не более 80%, предпочтительно не более 70% от расстояния между форсункой 122 и краем зоны 120, проходящим ниже по потоку в продольном направлении. Было подтверждено, что благодаря такой геометрии достигаются хорошие термические результаты с точки зрения как низких температурных градиентов, так и управления температурой на боковом краю материала 104.

В частности, предпочтительно в каждой паре 151, 152; 153, 154 фурм соответствующая первая фурма 152, 154 расположена на расстоянии от 0,5 до 2 метров вверх по потоку (справа на Фиг. 1 и 2) от второй фурмы 151, 153. Предпочтительно, первая фурма 152, 154 и соответственно вторая фурма 151, 153 расположены по существу на одинаковом удалении в продольном направлении D вдоль печи 100, по существу напротив друг друга. Такая конфигурация изображена на Фиг. 2.

В соответствии с предпочтительным вариантом выполнения для каждой пары 151, 152; 153, 154 фурм струя вторичного окислителя, поданная из соответствующей второй фурмы 151, 153, пересекает пламя от форсунки 122. Это особенно предпочтительно в случае, описанном выше, в котором для форсунки 122 обеспечен смещенный впрыск топлива, в частности при использовании высокоскоростной фурмы 124 для первичного окислителя. В частности, в этом случае часто возникает проблема, заключающаяся в том, что пламя от форсунки 122 проходит через всю зону 120 нагревания, возможно даже в расположенную ниже по потоку (слева на Фиг. 1 и 2) зону 110. Благодаря вторым фурмам 151, 153, выпускающим соответствующую высокоскоростную струю вторичного окислителя перпендикулярно пламени форсунки 122, обеспечивается решение данной проблемы, а также гарантия того, что тепловая энергия от горения топлива и первичного окислителя используется, главным образом, для нагревания материала 104 в зоне 120.

Кроме того, предпочтительно для каждой пары 151, 152; 153, 154 фурм обеспечена подача выдуваемого вторичного окислителя выше траектории пламени форсунки 122, но в направлении вниз под углом от 5° до 15°. Это создает эффективную турбулентность, когда выдуваемый вторичный окислитель пересекает траекторию пламени форсунки 122. Так или иначе, предпочтительно выдуваемый вторичный окислитель направлен так, чтобы не проходить ближе, чем на расстояние примерно 0,5 метра, к верхней поверхности материала 104.

Также предпочтительно обеспечить по меньшей мере частичное пересечение вторичного окислителя, выдуваемого из соответствующих вторых фурм 151, 153. Как правило, предпочтительно фурмы 151, 152, 153, 154 для вторичного окислителя обеспечивают увеличение соответствующих потоков вторичного окислителя, которые по меньшей мере частично пересекаются.

В данном документе то, что две выдуваемые струи окислителя или такая струя и пламя «пересекаются», означает, что по меньшей мере часть двух пересекающихся тел перекрывается во время работы печи 100.

В особенно предпочтительном варианте выполнения в результате совместного действия выдуваемого вторичного окислителя из соответствующих вторых фурм 151, 153 атмосфере печи 100 в зоне 110 нагревания сообщается вращательное движение. Например, это может быть обеспечено с помощью направления указанных вторых фурм 151, 153 по существу друг к другу, но с незначительным расхождением так, что струя из одной из них направлена немного вверх, а другая струя направлена немного вниз, или вперед/назад.

Предпочтительно форсунка 122 может быть выполнена с возможностью управления для работы по меньшей мере в первом режиме, в котором обеспечено приблизительно стехиометрическое управление форсункой 122, и во втором режиме, в котором обеспечено субстехиометрическое управление форсункой 122. В последнем случае вторичный окислитель, подаваемый через фурмы 151, 152, 153, 154, используется для достижения приблизительной стехиометрии, как описано выше. Однако в этом случае предпочтительно, чтобы в первом режиме через фурмы 151, 152, 153, 154 по-прежнему поступало от 1% до 5% общего кислорода или воздуха в качестве вторичного окислителя для охлаждения указанных фурм. Таким образом, может быть достигнут широкий спектр мощности для зоны 110 нагревания без риска нарушения работоспособности фурм 151, 152, 153, 154 в указанном режиме управления с малой мощностью.

Что касается конструкции самих фурм 151, 152, 153, 154, предпочтительно каждая из указанных фурм 200 расположена в соответствующей трубе 210, через которую подается охлаждающий воздух 220, например, из соответствующего источника 221 таким образом, что охлаждающий воздух 220 окружает наружную поверхностью 211 соответствующей фурмы 200. Вторичный окислитель подают в виде струи 212, концентричной с цилиндрическим потоком 220 охлаждающего воздуха, что показано в разрезе на Фиг. 3.

Фиг. 4 иллюстрирует способ согласно представленному изобретению, в котором используют печь 100 и вышеописанную систему, управляемую с помощью управляющего устройства 160.

На первом этапе оборудование, необходимое для осуществления представленного способа, устанавливают в конкретной зоне 120 нагревания, предпочтительно на имеющейся установке с печью 100. Установленное оборудование содержит по меньшей мере вышеописанные фурмы 151, 152, 153, 154 для окислителя, управляющее устройство 160 и любое внешнее оборудование, такое как источник 166 вторичного окислителя, линии 161, 162, 163, 164, 167, а также датчики 168а, 168b, 168с, если такие датчики не были установлены до этого. Предпочтительно данный этап установки также включает преобразование по меньшей мере одной форсунки 122 в зоне 120 для смещенного впрыскивания топлива, как описано выше, например, путем установки фурмы 124 для первичного окислителя и линии 165.

Затем устанавливают форсунку 122.

После этого выполняют управление зоной 120 нагревания предпочтительно в одном из по меньшей мере двух разных режимов, а именно в вышеописанном обычном стехиометрическом режиме, в котором по существу весь окислитель подают в качестве первичного окислителя и только малое количество вторичного окислителя используют для охлаждения фурм 151, 152, 153, 154, и во втором режиме, в котором управление форсункой 122 выполняют субстехиометрически и через фурмы 151, 152, 153, 154 подают большие объемы вторичного окислителя для достижения приблизительной стехиометрии в подзоне А2.

В режиме 1 не управляют работой фурм 151, 152, 153, 154 на основании данных, полученных от датчиков 168а, 168b, 168с. При этом во время управления в режиме 2 измеряют температуру вдоль указанной горизонтальной линии и работу первых соответствующих фурм 152, 154 регулируют так, чтобы получить однородный температурный профиль вдоль указанной линии. Затем регулируют работу вторых соответствующих фурм 151, 153 для достижения стехиометрии, как описано выше. Это регулирование с обратной связью продолжают в процессе работы в режиме 2.

В соответствии с предпочтительным вариантом выполнения режим 2 может включать управление соответствующими парами 151, 152; 153, 154 фурм в импульсном режиме. Таким образом, соотношение вторичного окислителя, подаваемого через каждую из соответствующих пар 151, 152; 153, 154 фурм, предпочтительно изменяется с течением времени так, что через указанные две пары 151, 152; 153, 154 в поочередном порядке, с периодом от 10 секунд до 2 минут, подают сравнительно большее количество вторичного окислителя. Сначала через пару 151, 152 подают большее количество вторичного окислителя, чем через пару 153, 154, затем наоборот и т.д. Предпочтительно для получения такого импульсного режима с течением времени меняется работа только второй соответствующей фурмы 151, 153, тогда как первая соответствующая фурма 152, 154 продолжает обеспечивать регулирование для поддержания однородного температурного профиля, однако в указанном импульсном режиме также могут участвовать как первая фурма 152, 154, так и вторая фурма 151, 153. При работе в импульсном режиме обеспечивается еще большая температурная однородность в зоне 120 нагревания, поскольку профили интенсивности горения смещаются в боковом направлении при импульсном режиме. Также может быть обеспечено управление с достижением разных периодов работы в импульсном режиме на двух противоположных сторонах для дополнительного повышения однородности температуры на основании измерений датчиков 168а и 168с.

Особенно предпочтительно, чтобы во время указанного переключения расход вторичного окислителя, подаваемого через каждую из указанных пар фурм, изменялся от наименьшего значения, составляющего от 0% до 40% от общего мгновенного расхода вторичного окислителя, до наибольшего значения, составляющего от 60% до 100% от общего мгновенного расхода вторичного окислителя, который поддерживают по существу постоянным во время указанного переключения.

Печь 100 предпочтительно является печью с шагающими балками, толкательной или карусельной печью. Материал 104 предпочтительно имеет вид заготовок, например закругленных или прямоугольных стальных заготовок.

Выше приведено описание предпочтительных вариантов выполнения. Однако для специалистов в данной области техники очевидно, что в раскрытых вариантах выполнения могут быть выполнены различные модификации без отклонения от основной идеи изобретения.

Например, в каждой паре фурм может быть использовано более двух фурм, а также может быть использовано более двух пар фурм. Кроме того, в зоне нагревания может присутствовать большее количество воздуха или модифицированных форсунок.

Все, что описано применительно к заявленному способу, проиллюстрированному на Фиг. 4, также применимо к заявленной системе, описанной со ссылкой на Фиг. 1-3, и наоборот.

Таким образом, изобретение не ограничено описанными вариантами выполнения и может быть изменено в рамках объема, определяемого прилагаемой формулой изобретения.

Изобретение относится к способу нагревания печи, содержащей зону нагревания, которую нагревают с использованием форсунки, создающей пламя, проходящее в продольном направлении (D), и выполненной с возможностью подачи в нее топлива и первичного окислителя, при этом форсункой управляют с получением количественного соотношения подаваемого топлива и первичного окислителя, которое обеспечивает сжигание менее 50% подаваемого топлива с использованием первичного окислителя, при этом на каждой стороне указанной печи расположена соответствующая пара фурм для вторичного окислителя, направленная в зону нагревания для подачи вторичного окислителя в зону нагревания ниже по потоку от указанной форсунки, по существу параллельно поперечной плоскости (С), и температуру измеряют ниже по потоку от указанных фурм, при этом каждая из указанных пар фурм содержит расположенную выше по потоку низкоскоростную первую фурму и расположенную ниже по потоку высокоскоростную вторую фурму, причем количество вторичного окислителя, подаваемого через первую фурму, регулируют так, чтобы получить однородный горизонтальный температурный профиль. Раскрыта также печь, выполненная с возможностью нагревания ее упомянутым способом нагрева. Обеспечивается возможность точного регулирования температуры в боковом направлении в зоне нагревания с одновременным обеспечением высокой эффективности в зоне нагревания и снижения образования NO_x при сравнительно невысоких затратах. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ нагревания печи (100), которая имеет продольное направление (D) и поперечную плоскость (С), перпендикулярную продольному направлению (D), а также по меньшей мере одну зону (120) нагревания, которую нагревают с использованием по меньшей мере одной форсунки (122), создающей пламя, распространяющееся в указанном продольном направлении (D), причем в форсунку (122) подают топливо и первичный окислитель, отличающийся тем, что форсункой (122) управляют с получением количественного соотношения подаваемого топлива и первичного окислителя, которое обеспечивает сжигание менее 90% подаваемого топлива с использованием первичного окислителя, при этом используют по меньшей мере две пары фурм (151, 152; 153, 154) для вторичного окислителя, по одной паре на каждой стороне печи (100), которые направлены в зону (120) нагревания и обеспечивают подачу вторичного окислителя в указанную зону (120) ниже по потоку от указанной форсунки (122), по существу параллельно поперечной плоскости (С), при этом температуру измеряют вдоль горизонтальной линии, параллельной указанной поперечной плоскости, ниже по потоку от указанных фурм, причем каждая из указанных пар (151, 152; 153, 154) фурм содержит соответствующую первую фурму (152; 154) и соответствующую вторую фурму (151; 153), при этом вторая фурма (151; 153) расположена ниже по потоку от рассматриваемой первой фурмы (152; 154), и первая фурма (152; 154) в каждой паре (151, 152; 153, 154) выполнена с возможностью управления для работы с более низкой скоростью подачи, чем вторая фурма (151; 153) в каждой паре (151, 152; 153, 154) фурм, при этом количество вторичного окислителя, подаваемого через соответствующую первую фурму (152; 154) каждой пары (151, 152; 153, 154), регулируют так, чтобы получить однородный температурный профиль вдоль указанной линии.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что длина в продольном направлении зоны (120) нагревания составляет от 5 до 15 м, а ширина зоны (120) нагревания составляет по меньшей мере 4 м, более предпочтительно по меньшей мере 8 м.

3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что массовая доля вторичного окислителя составляет по меньшей мере 50%, предпочтительно по меньшей мере 65%, более предпочтительно по меньшей мере 70% от общего объема подаваемых первичного и вторичного окислителей.

4. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что вторичный окислитель содержит кислород с массовой долей по меньшей мере 85% и предпочтительно является промышленно чистым кислородом.

5. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что в каждой паре (151, 152; 153, 154) фурм второй фурмой (151; 153) управляют с обеспечением ее работы со скоростью подачи, которая по меньшей мере в 2 раза, предпочтительно по меньшей мере в 4 раза, наиболее предпочтительно по меньшей мере в 8 раз превышает скорость подачи первой фурмы (152; 154).

6. Способ по п. 5, отличающийся тем, что соответствующей второй фурмой (151; 153) в каждой паре (151, 152; 153,154) фурм управляют с обеспечением ее работы со скоростью подачи по меньшей мере 1 М.

7. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что в каждой паре (151, 152; 153, 154) фурм общее количество вторичного окислителя, подаваемого в единицу времени через вторую фурму (151; 153), регулируют так, чтобы достичь требуемого общего количества подаваемого кислорода в зоне (120) нагревания.

8. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что соответствующие первые фурмы (152; 154) в указанных парах (151, 152; 153, 154) располагают в продольном направлении на расстоянии от форсунки (122), которое составляет по меньшей мере 40%, предпочтительно 50% от расстояния между форсункой (122) и краем зоны (120) нагревания, расположенным ниже по потоку в продольном направлении, при этом соответствующие вторые фурмы (151; 153) в указанных парах (151, 152; 153, 154) располагают в продольном направлении на расстоянии от форсунки (122), которое составляет не более 80%, предпочтительно 70% от расстояния между форсункой (122) и краем зоны (120) нагревания, расположенным ниже по потоку в продольном направлении.

9. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что в каждой паре (151, 152; 153, 254) фурм первую фурму (152; 154) располагают на расстоянии от 0,5 до 2 м выше по потоку от второй фурмы (151; 153).

10. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что в каждой паре (151, 152; 153, 154) фурм струя вторичного окислителя, подаваемая из второй фурмы (151; 153), пересекает траекторию пламени от форсунки (122).

11. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что в каждой паре (151, 152; 153) фурм подачу вторичного окислителя из второй фурмы (151; 153) осуществляют выше траектории пламени форсунки (122), но в направлении вниз под углом от 5° до 15°.

12. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что вторичный окислитель, подаваемый из соответствующих вторых фурм (151; 153), взаимодействует с обеспечением сообщения вращательного движения атмосфере в зоне (120) нагревания.

13. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что соотношение вторичного окислителя, подаваемого через каждую из соответствующих пар (151, 152; 153, 154) фурм, изменяют с течением времени так, что через две пары (151, 152; 153, 154) в поочередном порядке с периодом переключения от 10 с до 2 мин, подают сравнительно большее количество вторичного окислителя.

14. Способ по п. 13, отличающийся тем, что во время указанного переключения расход вторичного окислителя, подаваемого через каждую из указанных пар (151, 152; 153, 154) фурм, изменяют от наименьшего значения, составляющего от 0% до 40% от общего мгновенного расхода вторичного окислителя, до наибольшего значения, составляющего от 60% до 100% от указанного общего мгновенного расхода, который поддерживают по существу постоянным во время указанного переключения.

15. Нагревательная печь, имеющая продольное направлением (D) и поперечную плоскость (С), перпендикулярную продольному направлению (D), а также по меньшей мере одну зону (120) нагревания, которая выполнена с возможностью нагревания с использованием по меньшей мере одной форсунки (122), в свою очередь, выполненной с возможностью создания пламени, распространяющегося в указанном продольном направлении (D), причем форсунка (122) выполнена с возможностью подачи в нее топлива и первичного окислителя, отличающаяся тем, что форсунка (122) выполнена с возможностью управления с получением количественного соотношения подаваемого топлива и первичного окислителя, обеспечивающего сжигание менее 90% подаваемого топлива с использованием первичного окислителя, при этом печь (100) содержит две пары фурм (151, 152; 153, 154) для вторичного окислителя, по одной паре на каждой стороне печи (100), которые направлены в зону (120) нагревания и предназначены для подачи вторичного окислителя в указанную зону (120) ниже по потоку от указанной форсунки (122), по существу параллельно поперечной плоскости (С), при этом в печи имеются температурные датчики (168а, 168b, 168с) для измерения температуры вдоль горизонтальной линии, параллельной указанной поперечной плоскости, ниже по потоку от указанных фурм, причем каждая из указанных пар (151, 152; 153, 154) фурм содержит соответствующую первую фурму (152; 154) и соответствующую вторую фурму (151, 153), при этом вторая фурма (151, 153) расположена ниже по потоку от рассматриваемой первой фурмы (152; 154), и первая фурма (152; 154) в каждой паре (151, 152; 153, 154) выполнена с возможностью управления для работы с более низкой скоростью подачи, чем вторая фурма (151, 153) в каждой паре (151, 152; 153, 154) фурм, причем печь выполнена с возможностью регулирования количества вторичного окислителя, подаваемого через соответствующую первую фурму (152; 154) каждой пары (151, 152; 153, 154), так, чтобы получить однородный температурный профиль вдоль указанной линии.