Способ отопления подовой печи Советский патент 1993 года по МПК C21C5/04 

Изобретение относится к черной металлу )гии, в частности к способам отопления подовых сталеплавильных печей.

Известны способы отопления подовых пе4ей с верхней подачей топлива и окислите 1я, причем топливо подаётся центральной ст уей, а окислитель ярусами струй, расположенных по окружности, окантовывающей центральное сопло;

Недостатками известных способов отопления подовых сталеплавильных печей являются низкая эффективность использована тепла горения и дожигания газов и недостаточная экологйчность процесса.

Наиболее близким техническим реше- нк ем к заявляемому по технической сущности и получаемому результату является Известный способ отопления подовых печей с верхней подачей топлива и окислителя, в процессе которого топливо подают центральной струей, а окислитель - ярусами струй, расположенных по окружности, окантовывающей центральное сопло, с направлением параллельно топливной струе. Частично смешение компонентов происходит в фор- камере с углом раскрытия 30-60°. Соотношение окислитель-газ в форкамере поддерживают в пределах 1,6-1,8. Воздух, необходимый для полного горения топлива, подают вдоль наружной поверхности устройства.

К недостаткам известного способа относятся низкая эффективность использования

ч о

ND 4

CJ

W

тепла горения и дожигания газов, недостаточная экологичность процесса. Это объясняется следующим. Подача топлива центральной струей, а окислителя прусами струй, располагаемых по окружности, окан- товывающей центральное сопло с параллельным направлением топливной струе, при наличии форкамеры. обуславливает интенсивное перемешивание компонентов результатом чего является узконаправлен- ность факела, пониженная еветймр стЦ теплопередача, а также повышенный шум при работе,

Целью изобретения является повышение эффективности использования тепла го- рения и дожигания газов и экологичности процессов.

Поставленная цель достигается тем, что топливо подают через сводовую горелку центральной струей с углом раскрытия 1626°, а окислитель подают ярусом струй, расположенных по окружности вокруг центральной струи, с чередую.щимися углами подачи к оси центральной струи топлива 14-16° и 30-45° соответственно, причем со- отношение расхода окислителя . в чередующихся струях составляет 0,5-2.0. при этом срез сводовой струи горелки в период прогрева располагают на высоте 5-15 минимальных диаметров топливной струи от поверхности загруженной шихты; окислитель дополнительно пода ют струя ми, расположенными вокруг первого яруса, причем струи дополнительного яруса направлены с чередованием под углами к оси.цен- тральной струи топлива 40-50 и 60-75° соответственно, а соотношение расходов окислителя в ярусах струй поддерживают в пределах 0,1-10: соотношение окислитель- топливо в периоды завалки, прогрева шихты и нагрева ванны поддерживают в пределах 1-1,5, а в период продувки ванны кислородом 2-10.

На фиг,1 представлен схематично вид спереди на истекающие и взаимодействую- щиеструи топлива 1 и окислителя 2,3, подаваемого ярусами струй соответственно под углами 147)6°, и 30-45°,. а также струи дополнительного окислителя 4,5, подаваемого соответственно под углами 60-75° и 40-50°. При этом рассмотрен вариант смешения топлива и окислителей с подачей их на.высоте 500 мм от ванны с восемью чередующимися струями окислителя первого яруса и восемью чередующимися струями дополни- тельного окислителя: на фиг.2 - степень зажатия топлива в четырех струях окислителя первого яруса 2 (угол. 14-16°), истекающих из сопл, как и топливо, с докритическбй скоростью (угол раскрытия струй примерно 26°)

и участке пологих углов окислителя первого яруса (углы 30-45°) во вторичном горении и растягивании факела. Струи дополнительного окислителя 4,5 или еще растягивают факел, или участвуют в дожигании окиси углерода над ванной, пятна контакта этих струй с ванной значительно растянуты с большим охватом поверхности.

Такое соотношение струй благоприятно сказывается на формировании факела горения,ёго.яркрстных и аэродинамических характеристиках, а также на условиях, влияющих на спокойный ход горения без шумового эффекта.

При критических скоростях истечения е нерасчетном режиме угол раскрытия струи увеличивается до 30° и степень зажатия газового потока увеличивается, несколько ухудшаются условия для его самокарбюрэ- ции, но горение устойчивое, без шума.

При низком расположении горелки над ванной (300-500 мм) истекающие из сопл струи как топлива,так и окислителя ударяются о поверхность, деформируются, отражаясь и растекаясь по ней. Это приводит к дополнительномусмешению компонентов и горению в контакте с обогреваемой поверхностью.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Топливо (газ) подается через центральное сопло с углом раскрытия струи 16-26° (скорость истечения газа на срезе сопла 100-300 м/с) на высоте 5-15 диаметров сопла (практически при мощности горелки 12- 18 млн ккал/ч, это составляет 300-1000 мм), а окислитель (кислород) подают расходящимися от центра чередующимися ярусами струи по углами 14-16° и 30-45°. Этим самым создаются условия струям окислителя крутых углов (14-16°) мягко зажать топливо в окислительной среде, частично перемещаться с топливом и при недожоге реформировать его, а затем струи окислителя, подаваемые под углами 30-45°, разбавленные окружающей средой, подхватывают реформированный газ в потоке или отраженный от поверхности, дожигают его в струях и направляют на поверхность шихты или ванны.

Соотношение окислитель-газ на срезе сопл поддерживают в пределах 1,0-1,5, а соотношение расходов окислителя между крутыми и пологими углами поддерживают в пределах 0,5-2. При этом для низкого положения горелки в работе (300-600 мм)-для нагрева ванны в период доводки применяют соотношение окислитель-газ равным 1.5, а соотнрщение расходов окислителя крутых и пологих углов равным 0,5-1. Для высокого

положения горелки (700-1000 Мм) - нагрев шихты в период прогрева, применяют соот- нбшение окислитель-газ равным 1, а соотношение расходов окислителя крутых и пологих углов равным 1-2.

При подаче дополнительного окислители с чередованием струй под углами 40-50° 30-75° в соотношении 0,1-10, можно проводить управление положением факела

и: н;

д ванной или шихтой. Так, при располо-

жжии горелки от ванны на высоте 500 мм максимальный диаметр зоны воздействия факела от струй первого яруса (углы 14-45°) составит 1000 мм. При включении в работу струй дополнительного окислителя (углы 4С-750) диаметр зоны воздействия факела расширяется до 4000 мм. Это удобно для расширения зоны воздействия факела на Не грев шихты в периодах завалки и прогрё- вг шихты, а также дожигания окиси углеро- дг кислородом над площадью продувки ванны. Соотношение окислитель:газ в периодах нагрева шихты или ванны уста- нг1Вливают 1,0-1,5, а периодах продувки поддерживают в пределах 2-10 и этим обес- т чивается избыток окислителя для дожигания окиси углерода над ванной,

Истечение топлива (газа) с углом раскрытия струи 16° обеспечивается при скорости л/ ЮО м/с. Для условий хорошего ре формирования газа vi получения в связи с высоких радиационных его характеристик такие скорости и даже более низкие (т.е. с меньшим углом раскрытия) весьма желательны. Однако конструкция горелки, ее размеры в этом случае значительно увеличиваются. Последнее ведет к большим пс терям тепла с водой охлаждения горелку и увеличивается вероятность зарастания топливного сопла даже при принимаемых морах защиты (подача небольших количеств топлива, воздуха и инертных газов). При угле раскрытия газовой струи 26° ско- рссть истечения ее близка к критической ( м/с). В этом случае газовая струя хо- рсшо перемешивается с окислителем, газ хуже реформируется, что снижает радиаци- он ные характеристики факела и теплопередачу от факела к ванне.

Угол раскрытия газовой струи больше 26° нежелателен, т.к. скорости истечения приближаются к критическим ( 350 м/с), перемешивание газа с окислителем усилива

ется как за счет усиления турбулизации,

та и за счет большего проникновения одного газа в другой, реформирование газа ухудшается и горение начинает сопровождаться LUVMOM и тем больше, чем больше угол раскрытия топливной струи.

10

15 0 5

0 5 0 5

0

5

Подача части окислителя первого яруса струями под углом 14° способствует мягкому, ограниченному смещению газа с окислителем и его хорошему реформированию. Однако при соотношении подачи окислителя по трактам, равном 2 при этом угле встречи и критической скорости истечения в нерасчетном режиме появляется нежелательный шумовой эффект и некоторое ухудшение реформирования газа. При подаче окислителя под углом 16° этих недостатков не проявляется, однако при низких соотношениях подачи, равных 0,5, наблюдается некоторое ухудшение реформирования газа.

Подача части окислителя первого яруса струями под углом меньше 14° способствует большему зажатию топливного потока, усилению перемешивания, что приводит к снижению реформирования газа и .появлению шумового эффекта.

Подача окислителя с углом больше 16° растягивает зону горения до проскока топлива к поверхности, снижается светимость факела и большее развитие получает процесс горения в отраженном потоке.

Подача части окислителя первого яруса струями под углом 30° способствует формированию компактного плотного факела с малоразвитой площадью охвата поверхности. Подача окислителя под углом 45° расширяет возможности факела по охвату обогреваемой поверхности , но появляется пятнистость охвата.

Подача части окислителя первого яруса струями под углом меньше 30° делает факел еще более компактным и плотным, а зону воздействия меньшей. Значительное уменьшение угла наклона может отрицательно сказываться уже на реформированием газа и радиационных его характеристиках. Подача окислителя под углом больше 45° еще растягивает зону воздействия факела, но некоторая часть площади оказывается вне непосредственного влияния факела из-за значительного развития пятнистости.

Подача окислителя первого яруса в соотношении расходов между крутыми и пологими углами, равном 0,5, способствует получен-ию мягкой, малореформированной, растянутой сердцевины со сниженными радиационными характеристиками и. более жесткого окантовывающего потока. Рационально такое сочетание преимущественно для низкого расположения горелки над ванной с дожиганием отраженного и растекающего газового потока. При соотношении, равном 2, получается жесткая сердцевина с недостаточной светимостью и мягкими краями. Надо полагать, что о птймальное соотношение находится в диапазоне 1-1,3.

Подача окислителя первого яруса в соотношении расходов между крутыми и пологими углами больше 2 обеспечивает поступление окислителя на реформирование в большем количестве, чем необходимо для реформирования. Поэтому излишнее его количество идет на горение, не обеспечивая нужного реформирования, снижают- ся радиационные характеристики факела, зона охвата нагреваемой поверхности и в сумме теплопередача. Подача окислителя в соотношении меньше 0,5 еще снижает часть окислителя, идущего на реформирование газа,и тем самым ухудшает его радиационные характеристики и теплопередачу, несмотря на повышение интенсивности влияния пологих углов на зону охвата.

Расположение горелки на высоте 5 ми- нимальных диаметров топливной струи (300-400 мм) целесообразно при мягком газовом потоке. Применимо для нагрева расплавленной оанны или при организации дожигания окиси углерода над продуваемой кислородом ванной. Расположение горелки на выйоте меньше 5 диаметров сужает зону охвата поверхности факелом, интенсивно развиваются отраженные потоки, а в жидкие периоды брызгообразование и эффект продувки. Расположение горелки на высоте 15 минимальных диаметров топливной струи (900-1000 мм) целесообразно при жестком факеле, рассчитанном на получение большой площади воздействия факела (периоды завалки и прогрева). Расположение горелки на высоте больше 15 диаметров отдаляет факел от поверхности, увеличивает потери тепла на обогрев рабочего пространства, уменьшается конвективная составляющая в теплопередаче, хотя увеличивается приход тепла от повышения зоны охвата.

Подача дополнительного окислителя чередующимися струями с углами наклона 40- 50° и 60-75° целесообразна в случаях необходимости организации обогрева больших площадей ванны при среднем и низком расположении горелки (5-8 диаметров), а также для организации подачи окислителя по большей поверхности с целью дожигания над ней выделяющейся окиси углерода. Причем чередование струй в этом случае, в основном, необходимо для учета профиля ванны. По ширине направляют струи под углом 40-50°, а по длине 60-75°. Нижние пределы (40° и 60° применяют при высоком расположении горелки в работе (800- 1000 мм), а верхние (50° и 75°) для низкого (300-500 мм),

Подача дополнительного окислителя повышает эффективность использования тепла и дожигание газов. Подача окислителя с углом наклона струй меньше 40° снижает зону действия факела и окислителя и эффективность теплопередачи. Подача окислителя с углом наклона струй больше 75° приводит к тому, что часть окислителя, истекающего с критической скоростью, начинает отрываться от ванны и тем самым отрывать факел от поверхности. Это же характерно и для процесса дожигания окиси углерода..

Соотношение расходов окислителя первого и дополнительного ярусов в процессе работы поддерживается в пределах 0,1...10. Соотношение, равное 0,1 применяется при использовании горелки для дожигания окиси углерода над продуваемой ванной, когда есть необходимость струи окислителя подать на большую поверхность, а газовое сопло защищено специальным отдувом. В этом случае 1 часть окислителя подается по первому ярусу для организации защиты сопла от забиваемости и частично дожигания окиси углерода в этом районе. Соотношение,, равное 107применяется при использовании горелки для нагрева жидкой ванны при низком и среднем расположении горелки и шихты при среднем и высоком расположении горелки. В этом варианте работы 10 частей окислителя поступает по первому ярусу и 1 часть по дополнительному, который служит в основном фактором защиты сопел от забиваемости брызгами шлака и металла, идущих как от горелки, так и продувочных фурм.

Соотношение меньше 0,1.может привести к запечатыванию шлаком и металлом сопел первого яруса. Соотношение больше 10 может привести к запечатыванию сопел дополнительного яруса. Рабочий практический диапазон действия соотношений в завалку-прогрев - 10. нагрев металла в доводку 7-10, при дожигании окиси углерода с подачей небольшого количества топлива (400 м3/ч на отдув) - 0,3-0.7.

Соотношение окислитель-топливо в периодах завалки и прогрева поддерживают в пределах 1 в вариантах среднего и высокого расположения горелки (700-1000 мм), так как количество кислорода привнесенного струями в этом варианте, высокое и горение газа полное. При низком расположении горелки (300-500 мм) и большей частью .при использовании ее для нагрева металла в доводку количество кислорода, привносимого струями из-за их малого развития и низкой концентрации кислорода в

окружающей среде уменьшается и соотно- uueijwe устанавливают равным 1,5.

:В период продувки ванны кислородом соотношение окислитель-топливо принимают эавным 2 в вариантах продувки на низком углероде (0,5% и ниже), когда в основном идет нагрев металла не от дожигания окиси углерода, а от горения топлива. Соотношение(равное 10,принимают в вариантах дожигания окиси углерода при про- дунке ванны кислородом с высокого угл грода (0,6% и выше), когда нагрев ванны осуществляется в основном за счет дожига- ни5 окиси углерода, а топливо подается только для защиты сопла от забивания бризгами шлака и металла.

Соотношение окислитель-топливо в зава/ ку и прогрев меньше 1 приведет к недо- жо у топлива и потере теплопоглощения, а бо/ ьше 1,5 к перерасходу окислителя; в период продувки ванны кислородом отношение меньше 2 не обеспечивает горения и

до

кигания - снижение теплопоглощения,

бо/ ьше 10 к нерациональному расходу окис- лителя.

Примеры конкретного выполнения.

Предлагаемый способ отопления подовых печей может осуществляться как само- стсятельно, так и в сочетании с другими из( естными.

Плавку вели в мартеновской печи комбината Запорожсталь садкой 250 т с при- менением действующего торцевого отс пления. Горелка была установлена в центре: главного свода печи, как дополнительное средство для форсирования тепловой работы печи: путем нагрева шихты в период прогрева, нагрева ванны в плавление - за счет дожигания окиси углерода, и расплавленной ванны в период доводки. Тепловая модность горелки 16 млн. ккал/ч; диаметр газового сопла 60 мм; расход газа 1500- 2000 м /ч с углом раскрытия струи 16-26°, окислитель основного тракта с расходом до 3000 м /ч подавали по 8 соплам Диамет- рои 15 мм с чередованием углов 14-16° и 30-45°; окислитель дополнительного тракта также подавали по 8 соплам диаметром 15JMM с чередованием углов 40-50° и 60- 75:, пропускная способность тракта до 25().

После загрузки металлошихты в период прэгрева присаживали горелку в рабочее пространство и подавали по 1000 м /ч газа и кислорода, Убедившись в нормальном ходе горения присаживали горелку на 15-8 диаметров (1000-700 мм) от шихты и добав- ля|)и по инструкции остальной газ (500 м /ч) и Кислород до соотношения, равного 1. В процессе прогрева и осаждения шихты положение горелки над шихтой корректировали. Применение дополнительного отопления обеспечивает на 50-100°С выше нагрев металлошихты, а это позволяет уменьшить расход чугуна на 10-12 кг/тили сократить длительность периода прогрева на 30-50%, а значит, и длительность плавки на 5-8%, при этом сократились удельные расходы топлива на 5-7 кг/т и 1-2 м3/т

0 кислорода.

При использовании способа для дожигания окиси углерода над продуваемой ванной (расход кислорода на продувку 2500 м /ч) горелку присаживали в рабочее

5 пространство, подавали небольшое количество газа (до 500 м /ч) и кислород основной и дополнительный по 500 м /ч. Затем горелку присаживали на высоту 5-7. диаметров газового сопла (300-500 мм) от ванны и по

0 дополнительному ярусу сопел подавали остальной кислород до соотношения 0,33 (15, м /ч), соотношение окислитель: топливо поддерживали равным 4. За время операции дожигания (0,5-1 час) или подни5 малась температура металла на 50-90°С или процесс велся при сокращенном расходе топлива. Экономия в пересчете на расход чугуна составляла 10-15 кг/т или топлива 5-7 кг/т при увеличении расхода кислорода

0 на 4-6 м3/т.

При использовании способа для нагрева металла в период доводки горелка присаживалась в рабочее пространство, подавали газ и кислород по первому ярусу

5 сопел по 1000 м /ч. Затем она присаживалась на ванной на высоте 5-7 диаметров (300-500 мм), подавался остальной газ (500 м /ч) и кислород по первому ярусу - 1000 м /ч и дополнительному .ярусу

0 250 м3/ч, поддерживая соотношение кислород: газ 1,5. Скорость нагрева металла в зависимости от состояния печи, составляет 1,5-2,5°С/мин, Экономия топлива и кислорода составила в среднем 5-7% от удельных

5 расходов по печи.

Предлагаемый способ отопления может быть реализован на любой подовой сталет плавильной печи, потребляющей природный газ и кислород.

0Применение предложенного способа отопления в подовых печах по сравнению с известными способами позволяет повысить эффективность использования тепла горения и дожигания газов и экологичность про5 цесса, что проявляется в применении способа для нагрева шихты в периоде ее прогрева (возможно применение и в завалку), что позволяет вести процесс на сокращение длительности периода v плавки в целом, обеспечивая повышение производитель:ности агрегата, или на дополнительный вэод тепла в шихту с высоким КПД и сокращение потребления на процесс энергоресурсов (чугуна, топлива); в применении способа для дожигания окиси углерода над продуваемой ванной, что позволяет ввести в ванну большее количество тепла за счет повышения КИТ дожигания окиси углерода и тем самым сократить длительность периода и затраты знергоресурсоа (чугун, топливо); в применении способа для нагрева металла в доводку, что позволяет сократить длительность периода и затраты энергоресурсов (чугун, топливо, кислород); в повышении стойкости агрегата в связи с меньшей интенсификацией его работы; в повышении экологичности процесса, т.к. обеспечивается низкий уровень шума и снижение интенсивности образования бурого дыма в плавление; в высоком экономическом эффекте. V-. -.; .

Формула изобретения 1. Способ отопления -подовой печи, включающий подачу топлива и окислителя через сводовую и торцовые горелки в периоды завалки лома, прогрева шихты и нагрева ванны, продувку ванны кислородом, о т- л и ч а ю щ и и с я тем, что, с целью повышения эффективности использовании тепла горения и экологичности процесса, через

сводовую горелку топливо подают центральной струей с углом раскрытия 16-26°, а окислитель подают ярусом струй, расположенных по окружности вокруг центральной

струи, с чередующимися углами подачи к оси центральной струи топлива 14-16 и 30- 45° соответственно, причем соотношение расхода окислителя в чередующихся струях составляет 0,5-2,0. при этом срез сводовой

горелки в период прогрева располагают на высоте 5-15 минимальных диаметров топливной струи от поверхности загруженной шихты.

2. Способ по п.1, о т л и ч а ю щ и и с я

тем, что, с целью повышения эффективности дожигания окиси углерода, окислитель дополнительно подают струями, расположенными вокруг первого яруса, причем струи дополнительного яруса направлены с чередованием под углами к оси центральной струи топлива 40-50 и 60-75° соответственно, а соотношение расходов окислителя в ярусах струй поддерживают в пределах 0,1- 10. - ... ;

3. Способ по пп.1 и 2, от л и ч а ю щ и й- с я тем, что соотношение окислитель-топливо в периоды завалки, прогрева шихты и нагрева ванны поддерживают в пределах 1-1,5, а в период продувки ванны кислородом-2-10.