Способ подачи топлива в фурму доменной печи и фурма доменной печи Советский патент 1991 года по МПК C21B7/16 

Изобретение относится к черной металлургии и может быть использовано в доменном производстве для подачи горячего дутья и топлива в горн.

Целью изобретения является снижение расхода кокса за счет повышения эффективности смешения топлива с дутьем.

Сущность способа заключается в том, что в топливо вводят в виде кольцевой или иной формы полой струи, что позволяет эжектировать поток дутья внутрь этой струи. При этом резко увеличивается эффективность смешения топлива с дутьем по сравнению с вариантом смешения только через наружный слой смешения топливной струи, так как быстро разрушается жесткий начальный участок топливной струи, куда дутье при внешнем смещении проникнуть не может. Кроме того, топливо с дутьем перемешивается также и через внешний

слой смешения топливной струи в канале фурмы, т.е. значительно увеличивается поверхность взаимодействия топливного и дутьевых потоков, что также способствует повышению эффективности смешения. При расположении начального сечения потока дутья, эжектируемого внутрь топливной струи, выше по потоку начального сечения топливной струи обеспечивается необходимый коэффициент эжекции дутья внутрь топливной струи. В противном случае эжек- ция дутья внутрь струи топлива заметно ослабевает, а при расположении начального сечения потока дутья ниже начального сечения топливной струи вообще практически прекращается. Кроме того, в первом случае обеспечивается надежное охлаждение koH- цевого участка перепускной камеры, что повышает стойкость фурмы. При отношении обьемных расходов топлива и дутья, эжекО 00

ю со чэ ю

тируемого внутрь топливной струи VT/Vfl3, равном ():1, обеспечивается максимальная степень смешения топлива с дутьем в фурме. При VT/VA.3 5 топливная струя сильно разрушается, становится мягкой и не может проникнуть на достаточную глубину в дутьевой поток в канале фурмы. При этом резко повышается неравномерность распределения топлива по сечению канала фурмы, что приводит к снижению эффективности смешивания. Кроме того, обеспечение соотношения VT/VA.3 5 затруднительно технически (при обычно применяемых на практике параметрах энергоносителей), так как близко к пределу по эжекцмонным свойствам топливной струи в рассматриваемом случае. При этом существенно возрастают габариты перепускной камеры, что также недопустимо с точки зрения ограничения размеров корпуса фурмы и ухудшения циркуляции охлаждающей воды в ней за счет перекрытия живого сечения для прохода воды. При VT/УД.Э 30 эффект подачи дутья внутрь топливной струи слабо выражен и эффективность смешения резко снижается. Диапазон скоростей подачи топлива в дутьевой поток WT (0,6-1,5) М является наиболее оптимальным при обычно применяемых на практике параметрах энергоносителей (расходов, давлений,температур дутья и топлива). При величине WT меньшей, чем 0,6 М резко снижается эжек- ционная способность топливной струи и эффективность смешивания топлива с дутьем. Для обеспечения WT 1,5 М необходимо иметь очень большие давления природного газа, которые практически не используются в доменном производстве.

При введении топлива в дутьевой поток в виде неконцентричной струи, направленной максимальной в поперечном сечении стороной навстречу потоку дутья в фурме, обеспечивается максимальная совместная эжекция дутья в топливную струю через ее внутреннюю и наружную поверхности и максимальная эффективность смешивания топлива с дутьем при простоте конструктивного исполнения фурмы. Подача полой топливной струи под углом (50-85)° к оси фурмы (а ) также способствует повышению эффективности смешения топлива с дутьем, так как при указанных углах наблюдается наиболее равномерное распределение концентрации топлива по сечению канала фурмы. При углах а 50° и а 85° существенно уменьшается глубина проникновения струи топлива в поток дутья в канале фурмы.

При расположении среза перепускной камеры на расстоянии И, равном (0,2-1,5) ее внутреннего диаметра а пк вверх, по потоку от среза топливоподводящей трубки в

фурме доменной печи, служащей для осуществления предлагаемого способа, обеспечивается необходимый коэффициент эжекции дутья внутрь топливной струи и надежное охлаждение концевого участка

0 перепускной камеры. При h 0.2 dnic резко снижается эжекция дутья внутрь струи топлива и эффективность смешения топлива и дутья в фурме, снижается стойкость концевого участка перепускной камеры. При li

5 1,5dnk также происходит снижение коэффициента эжекции, резко уменьшается глубина проникновения топливной струи в расплав, сильно увеличиваются габариты узла подачи топлива в канал фурмы. При

0 отношении площадей проходных сечений перепускной камеры Fnk и топливоподводящей трубки на участке последней полой формы FT, равном 0,8-1,5, при обычно используемых на практике параметрах энер5 гоносителей обеспечивается необходимое отношение объемных расходов топлива и дутья, эжектируемого внутрь топливной струи, равное (5-30): 1. Выполнение в фурме доменной печи участка топливоподводя0 щей трубки полой формы длиной (12) 3-15 гидравлических диаметров газоподводящей трубки на этом участке (dr.r.) позволяет разогнать поток топлива на участке топливоподводящей трубки полой формы до

5 необходимых скоростей и обеспечить истечение топлива в виде полой высокоскоростной струи с высокими эжекционными характеристиками. При 2 3dr.r участок разгона мал, снижается коэффициент эжекции

0 дутья внутрь топливной струи и ухудшается эффективность смешения реагентов в фурме. При 12 15dr,T заметно увеличивается сопротивление трения топливного потока на участке топливоподводящей трубки по5 лой формы, где поток топлива имеет высокую скорость, увеличиваются потери давления топлива, снижается эффективность смешивания его с дутьем в канале фурмы, существенно увеличиваются габари0 ты выходного участка топливоподводящего тракта, что вызывает трудность конструктивного выполнения фурмы. При выполнении концевого участка топливоподводящей трубки с плавным уменьшением, а затем

5 увеличением площади проходного сечения, так, что срез перепускной камеры расположен в сечении трубки, имеющем минимальную площадь проходного сечения для топлива максимально используются эжек- ционные свойства топливной струи, т.е. прк

прочих равных условиях коэффициент эжекции имеет большую величину. При выполнении топливоподводчщей трубки на участке полой формы в поперечном сечении неконцентричной кольцевой формы топлив- ная струя имеет развитую поверхность контакта с дутьевым потоком и обладает большой эжектирующей способностью на начальном участке. Этому же способствует и неравномерность профилей давлений, скоростей и т.д. в начальном сечении топливной струи, вызванная неконцентричностью потока. С другой стороны предлагаемая форма юплизоподводяшей трубки наиболее проста в изготовление, так как образуется при использовании двух обычных трубок соответствующих размеров. Расположение топливоподводящай трубки в фурме так, что сторона ее, которая имеет максимальную в поперечном сечении ширину, направлена в сторону фланца (при отношении минимальной к максимальной ширине проходного сечения топливоподво- дящей трубки, 61/62 , равном 0,2-0,8), способствует повышению эффективности смешивания топлива с дут ьем, так как поток дутья в фурме взаимодействует более интенсивно и продолжительно, с той частью топлива, которая соответствует части полой топливной струи, обращенной в сторону фланца. При 61/62 0,8 этот эффект слабо выражен, и эффективность смешивания топлива с дутьем в фурме практически а- кая же, как и в случае выполнения полой топливной трубки с равной по периметру шириной проходного сечения. При 61/62 0,2 эффективность смешивания снижается из-за ухудшения эжекции дутья внутрь топливной струи (часть полой струи, которая имеет минимальную ширину быстро разру- шается, струя быстро теряет полую форму).

Расположение перепускной камеры и топливоподводящей трубки в разных плоскостях позволяет избежать локального перекрытия сечения для прохода охлажда- ющей воды в корпусе фурмы, если угол между указанными плоскостями будет не меньше 20°. При угле, больше чем 90-95, происходит попадание во входное отверстие перепускной камеры не чистого дутья, а дутья с примесью введенного топлива, в результате чего снижается расход дутья, эжектируемого внутрь полой топливной струи (при том же объемном расходе эжектируемой смеси), и ухудшается смеши- вание топлива с дутьем в фурме.

На фиг. представлена фурма доменной печи для осуществления способа подачи топлива в фурму доменной печи, общий

виц ил фиг.2-Ь - варианты исполнения топливоподводящей трубки и перепускной ка- меоь. фурмы доменной печи для осуществления дополнительных пунктов предлагаемого способа.

Фурма состоит из водоохлаждаемого корпуса 1 с фланцем 2, расположенных в полости корпуса, перепускной камеры 3 и топливоподеодящей трубки А. Конец 5 топливоподводящей тоубки имеэт в поперечно.м сечении кольцевую или иную no/iyin форму, внутренняя поверхность которой образована пеиелускной камерой 3. Срез пеоеп ,скнсй камеры 3 отстоит от среза топливоподводящей трубки А на расстояние И, равное 02-1,5 внутреннего диаметра dnk перепускной камеры 3. Отношение площадей проходных сечений перепускной камеры Fnk и топливоподводчщей трубки FT на участке последней полой формы ровно 0.8- 2,0 Длина участка топливоподводящей трубки полой формы 2 составляет 3-15 гидравлических диаметров газоподводящей трубки 4 на этом участке (d/ т.). Гидравлический диаметр любого канала определяется

A f

по формуле -р- , где F - площадь проходного сечения канала, Р - его периметр. Д;1я наиболее простого случая - кольцевой щели dr 2 6 , где 6 - ширина зазора в кольцевой щели и т.д.

В фурме доменной печи (фиг.2) топли- воподводящая трубка А и перепускная камера 3 расположены в различных вертикальных плоскостях, причем угол (а ) между указанными плоскостями равен (20- 95)°.

В фурмы доменной печи (фиг.З) концевой участок 5 топливоподводящей трубки 4 выполнен с плавным уменьшением, а затем увеличением площади проходного сечения. При этом срез перепускной камеры 3 расположен в сечении конца 5 трубки, имеющем минимальную площадь проходного сечения для топлива.

В фурме доменной печи фиг.4 и 5)топли- воподводящая трубка 4 на участке полой формы (12) имеет в поперечном сечении неконцентричную кольцевую форму и расположена так, что сторона ее, которая имеет максимальную в этом сечении ширину (). направлена в сторону фланца 2. При этом отношение минимальной s. максимальной ширине ( дмин/ макс) проходного сечения топливоподводящей трубки 4 находится в пределах 0,2-0,8.

В фурме доменной печи (фиг.б) выходной участок топливоподводящей трубки 4

направлен в сторону среза фурмы под углом ( /3) 50-85 к оси фурмы.

Фурма работает следующим образом.

Воздушное дутье через фланец 2 подается в канал фурмы и истекает через него в горн доменной печи. Топливо подается в топливоподводящую трубку 4 и истекает из нее в канал фурмы в виде высокоскоростной (около звуковой или сверхзвуковой) полой струи. При этом скорость истечения струи (в качестве топлива обычно используют природный газ) составляет 0,6-1,5 М. Такая струя обладает высокой эжекционной способностью. При истечении ее, в присоп- ловой области создается разрежение, под действием которого часть дутьевого потока эжектируется в перепускную камеру 3 и далее внутрь топливной струи через внутреннюю поверхность последней. Истекая и расширяясь далее в канале фурмы, топливная струя эжектирует дутье и через наружную поверхность. При указанных параметрах фурмы и газодинамических параметрах потоков дутья и топлива происходит эффективное смешивание топлива с дутьем в канале фурмы. Обеспечивается оптимальное отношение объемных расходов топлива и дутья эжектируемого внутрь топливной струи, равное (5-30): 1, при котором происходит одновременно и эффективное смешивание дутья с топливом за счет эжек- ции топливной струи и достаточное (для получения равномерного профиля концентраций топлива в выходном сечении фурмы) проникание последней в сносящий поток дутья в канале фурмы.

Результаты исследования влияния отношения объемных расходов Vi7Vfl.9 на эффективность смешивания реагентов в канал фурмы (при li/cW 0,5; WT 0,7-1,0 М; l2/drj 8-10; (5МИН/ (We 1;a 75°) приведены в табл.1, результаты исследования влияния величины скорости ввода топлива в канал фурмы на эффективность смешивания реагентов (при И /dm 0,5, VT/Vfl.9 10-20, l2/dr.T 8-10 5Мин/ 5„акс 1, а 75) - в табл.2, результаты исследования влияния направления и величины угла подачи потока топливной струи в канал фурмы (j ct) на эффективность смешивания топлива с дутьем (при h /dm 0,5 W t(0,7-1,0)M, .T 8-10, Vi/Vg.3 10-20) - в табл.3.

Выполнение в фурме перепускной камеры и топливоподводящей трубки с указанными параметрами при расположении их в одной плоскости (общепринятый вариант расположения) практически невозможно из-за ограниченности размеров

водоохлаждаемого корпуса. Кроме того, при этом происходит существенное локальное перекрытие сечения для прохода охлаждающей воды в корпусе фурмы (вблизи места

ввода топлива в канал фурмы), что может привести к прогару и выходу фурмы из строя. Расположение перепускной камеры и топливопроводящей трубки в разных плоскостях позволяет избежать этих нёдостатков, если угол между указанными плоскостями (ft ) не меньше 20°. Поэтому значение угла ft 20° принято за нижнее граничное значение диапазона оптимальных углов /3 . Для установления верхнего

значения проведены исследования с целью изучения влияния величины угла / на состав газов, эжектируемых в перепускную камеру, При /3 90-95° происходит нежелаемое явление: попадание во входное

отверстие перепускной камеры не чистого дутья, а дутья с примесью введенного топлива. В результате этого снижается расход дутья эжектируемого внутрь топливной струи (при том же объемном расходе эжектируемой смеси) и ухудшается смешивание топлива с дутьем в канале фурмы. Таким образом, диапазон оптимальных углов р составляет (20-95)°.

Применение предлагаемого способа

подачи топлива в фурму доменной печи и конструкции фурмы доменной печи для его осуществления позволяет снизить расход кокса на выплавку чугуна на 9,5-11 кг/т чугуна за счет повышения коэффициента замены кокса углеродсодержащими топливными добавками.

Формула изобретения

1.Способ подачи топлива в фурму доменной печи, включающий подачу через ее

полость дутья, введение в это дутье топлива отдельной струей и создание соосно/топливной струе за счет эжекционной способности последней потока дутья при заданном соотношении расхода дутья и топлива, о т личающийся тем, что, с целью снижения расхода кокса за счет повышения эффективности смешения топлива с дутьем, топливо вводят в виде полой струи, внутрь которой эжектируют поток дутья, начало истечения которого расположено над выходным сечением топливной струи, причем отношение объемных расходов топлива и дутья, эжектируемого внутрь топливной струи, устанавливают равным (5-30):1, а

топливо вводят в дутьевой поток со скоростью (0,6-1,5) М, где М - критерий Маха.

2.Способ по п.1,отличающийся тем, что топливо вводят в виде неконцентричной кольцевой струи,направленной максимальной шириной навстречу потоку дутья в фурме.

3.Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что полую топливную струю пода ют под углом (50-85)° к оси фурмы в направлении, совпадающем с направлением движения дутья.

4.Фурма доменной печи, содержащая водоохлаждаемый корпус с фланцем, распо- ложенные в полости корпуса перепускную камеру, соединенную входным и выходным отверстиями с дутьевым каналом и топливо- под водящую трубу,отличающаяся тем, что, с целью снижения расхода кокса за счет повышения эффективности смешения топлива с дутьем, топ л и во под водящая труба на конце выполнена с участком полой формы, внутренняя поверхность которой образована перепускной камерой, при этом срез пе- репускной камеры расположен от среза топливоподводящей трубы на расстоянии 0,2-1,5 внутреннего диаметра перепускной камеры, а отношение площадей проходных сечений перепускной камеры и топливопод- водящей трубы на участке последней составляет 0,8-1,5. причем длина указанного участка составляет 3-15 гидравлических диаметров топливоподводящей трубы на этом участке.

5.Фурма по п.4, отличающаяся тем, что участок полой формы топливопода- ющей трубы выполнен кольцевым.

6.Фурма по п.4, о т л и ч а ю щ а я с я тем, что гопливоподводящая труба и пере пускная камера расположены в разных вертикальных плоскостях, причем угол между указанными плоскостями составляет (20- 95)°.

7.Фурма по п.4 или 5,6, отличающаяся тем, что участок полой формы топливоподводящей трубы выполнен с плавным уменьшением, а затем увеличением площади проходного сечения, при этом срез перепускной камеры расположен в сечении трубы, имеющем минимальную площадь проходного сечения.

8.Фурма по пп.5-7, отличающаяся тем, что участок полой формы топливоподводящей трубы выполнен в поперечном сечении неконцентричным относительно перепускной камеры, при этом его максимальное сечение расположено со стороны фланца, а отношение минимальной к максимальной ширине его проходного сечения составляет 0,2-0,8.

9.Фурма по пп. 5-8. отличающаяся тем, что выходной участок топливоподводящей трубки направлен в сторону среза фурмы под углом (50-85)° к оси последней.

Таблица

Изобретение относится к черной металлургии и может быть использовано в доменном производстве. Целью изобретения является снижение расхода кокса на выплавку чугуна за счет повышения эффективности смешения топлива с дутьем, В способе топливо вводится в виде кольцевой струи, образованной за счет эжектирования в нее потока дутья, при этом топливо вводят в дутьевой поток со скоростью (0,6-1,5) М, где М - критерий Маха. Кольцевую топливную струю подают в направлении, совпадающем с направлением движения дутья в фурме, под углом 50-85а к оси последней. Фурма для осуществления способа обеспечивает улучшенное смешение топлива с дутьем. 2 с.и. 7 з.п. ф-лы, 6 ил. 3 табл, ч Ё

Примечание: Полая топливная струя разрушается уже вблизи среза топливной трубки, обладает слабой проникающей способностью.

Таблица2

Примечание: Резко увеличиваются потери напора в газо про водящем тракте.

Примечание: За положительное направление угла «условно принято направление, совпадающее с направлением движения дутья в канале фурмы.

Хорошее перемешивание топлива с дутьем в канале фурмы достигается при асм 0,25-0,30.

ТаблицаЗ

пхдпдод awngni/t/oj.

мр ,.

1 гЩ

66Е2891

Знаке

, V

Фиг. 6

Фиг. S