Фурма доменной печи Советский патент 1976 года по МПК C21B7/16 

1

Изобретение относится к устройствам для впрыскивания жидкого топлива в шахтную печь, в частности - в доменную.

Известна фурма доменной печи типа сопла Лаваля с форсункой для подачи топлива в канал.

Жидкое топливо, предварительно распыленное с помощью вспомогательного газа, инжектируется в смешивающем сопле, за которым расположен диффузор прямолинейного сечения, величина полуугла раскрытия которого устанавливается между О и 7,5 (предпочтительно между О и 3,5 ), В таком устройстве исключается в смеси дугье-топливо выходная скорость из фурмы, равная или большая звукового числа М 1 для обеспечения проникновения этой смеси до центральной зоны печи.

Однако при эксплуатации известного устройства возникают большие изменения импульса газов, проникающих в горн (т. е. количества движения), в зависимости от количества инжектируемого жидкого топлива, что вызывает в шахтных печах изменние хода плавки, иногда приводящее к зна2

читальным нарушениям. Это требует значительного изменения в количестве инжектируемого жидкого топлива.

Целью изобретения является устранение значительных изменений импульса газов, проникающих в горн, в зависимости от количества инжектируемого жидкого топлива, которое может изменяться от нуля до стехиометрии и больше, обеспечивая при этом наилучшие условия, т. е. сокращая до минимума образование сажистого углерода.

Это достигается сжиганием на носке фурмы смеси дутье-жидкое топливо, полученной в особых условиях, и устранением любого сгорания этой высоковоспламеняющейся смеси до ее подхода к носку фурмы.

С целью улучшения процесса горения топлива в предлагаемой фурме поверхность стенок диффузора выполнена криволинейной, образующая которой представляет собой кривую с всегда положительной второй производной. Кроме того, криволинейный участок диффузора удлинен прямолинейным коническим участком.

Образующая прямолинейной части образует с касательной в начале криволинейной образующей, с которой она соединена, угол равнБ1й не более 15 , и преимущественно порядка между 1О и 12 .

В предложенной фурме условия истечения дутья, инжектирующего жидкое топливо, и в частности, импульсное количество смеси на носке фурмы, а также потери напора в диффузоре изменяются незначительно по отношению к подаче дутья шахтной печи без инжектирования жидкого топлива независимо от количества инжектируемого жидкого топлива.

Кроме того, обеспечивается изменение инжектируемого количества без изменения диаметра носка фурмы, что позволяет, в частности, повысить расход жидкого топлива, подаваемого в шахтную печь.

На фиг. 1 изображен продольный разрез профиля внутреннего сечения фурмы с криволинейным диффузором5 на фиг, 2 - то же, криволинейный участок диффузора удлинен прямолинейным коническим участком; на фиг. 3 - схематический продольный разрез фурмы доменной печи.

Для получения полного горения топлива необходимо, чтобы жидкое топливо было хорощо распылено и равномерно перемешано с потоком дутья.

Распыление осуществляется за счет инжектирования жидкого топлива в горячее дутье, которое переносится на большой скорости через проход в соответствующем учаске трубопровода сечения CL . При этом жид кое топливо должно воспламеняться в носке фурмы с минимумом крекинга горючего на предшествующих участках.

С другой стороны, распределение жидкого топлива в горячем дутье улучшается тем быстрее в направлении истечения, чем мельче было распыление. Для этого скорость дутья в зоне инжектирования должна быть, по крайней мере, равна звуковому числу М 0,3, что дает верхний предел сечения CL

Необходимо избегать горения распыленно горючей смеси в дутье до носка фурмы во избежание того, чтобы импульс струи, входящей в печь, не изменялся с количеством инжектируемого жидкого топлива. Для этого можно было бы проводить это распыление возл носка. Но скорость дутья на его входе в горн зависит от условий работы шахтной печи и представляет собой один из параметров регулирования работы печи. Следовательно, применяемые скорости подачи дутья значительно ниже скоростей, которые обеспечивают хорошее распыление. Выходное сечение А в носке фурмы, обусловленное уеловяями работы доменной печи, следовательно 5эльше сечения CL, определенного ранее.

С целью перехода от скоростей выше звкового числа М О,3, которые обеспечивают хорошее распыление, к скоростям более низким, обусловленным работой устройства, в предлож енной фурме применен диффузор с постоянно увеличивающимся сечением, соединяющий зону инжектирования с носком фурмы.

Смесь топливо-вещество, поддерживающа горение, должна передаваться до носка фурмы за вермя, меньщее времени воспламенения жидкого топлива. В результате постепенного нагревания в горячем дутье время максимального пребывания равно времени воспламенения. Согласно характеристикам дутья и жидкого топлива (температура, расход и т. д.) в различных условиях работы щахтной печи время пребывания приводит к ограничению длины L , отделяющей зону инжектирования от носка фурмы. Через LJ, будет обозначено критическое значение этой длины, , следовательно, является максимальным значением L в данных условиях.

С целью предотвращения воспламенения распыленной горючей смеси в дутье до носка фурмы необходимо также устранить в диффузоре рециркулирующие потоки, появления ударной волны и другие аналогичные явления ударной волны. Скорость дутья должна все время оставаться дозвуковой. Сечение OL диффузора, подающего дутье, в зоне инжектирования определяется, следовательно, таким образом, чтобы скорость дутья находилась между числом М около 0,3 и числом Ml с учетом максимальных характеристик дутья (расход, температура, давление).

Диффузор должен, кроме того, исключать местные потери напора, способствующие появлению рециркулирующих потоков. Для этого нужно уменьшить опасность воспламенения в пограничном слое потока дутья, истекающем в этом диффузоре. Отношение -jj- нижнего и верхнего сечений и максимально возможная длина Ц. для диффузора с возрастающим сечением не позволяют придавать ему известную расходящуюся коническую форму с достаточно малым углом для того, чтобы устранить любое отслаивание. Поэтому предложено придавать фурме форму криволинейного диффузора, обеспечивающую истечение слоями на стенку.

Для подачи горючего служит трубопровод 1 с сечением CL, в котором величина скорости дутья находится между звуковым числом М около 0,3 и звуковым числом Ml, Инжектирование жидкого топлива осуществляется в зоне 2 через один или несколько инжекторов, подающих жидкое топливо слоями, строго перпендикулярными к истечению дутья. Смесь дутье-топливо в ра пыленном виде направляется затем криволинейным диффузором 3 на носок 4 фурмы, который выходит в печь 5. Нижнее сечение о, диффузора 3 является сечением трубопровода, подающего дутье в зоне 2 инжектирования, верхнее сечение А диффузора 3 является сечением носки 4 фурмы на выходе в шахтную печь 5. Дли на L должна быть не менее длины L, , определенной ранее, т. е. должна равняться максимальному расстоянию между зоной ийжектирования и носком фурмы. Если обозна чить через Л. длину криволинейного диффузора L равно Л. , когда инжектирование осуществляется на входе диффузора Когда инжектирование осуществляется выше входа диффузора, L больше А. . Образующие кривые диффузора 3 являются криволинейными и отличаются уравнениями, вторая производная которых всегда положительна. Каждая образующая имеет своим началом точку Б, находящуюся на линии соединения начала диффузора и трубопровода, подающего дутье, и проходит через точку В нижнего сечения диффузора, обусловленного выхо ным сечением фурмы. Если огибающая поверхность топлива, которое рассеивается от зоны 2 инжектиро ния, вписывается внутри диффузора 3, топлива на внутренней стенке диффузора нет. Стенка будет практически защищена тонким слоем дутья, устраняющим риск воспламенения в пограничном слое. Если огибающая поверхность встречает стенку диффузора 3 перед концом, отмечает ся легкое растекание жидкого топлива на внутренней стенке диффузора. Но так как опасность воспламенения в пограничном слое остается небольщой, несмотря на малу скорость истечения, градиент скорости изменяется очень быстро около стенки, стенк диффузора выполнены охлаждаемыми, что устраняет возможность загорания. Тонкий пограничный слой создает гетерогенное распределение топлива и дутье, которое должно быть пониженным, особенно когда количество инжектируемого топлива высоко и близко к стехиометрии. С другой стороны, ограниченный угол раскрытия диффузора 3, за пределами которого в пограничном слое происходит турбулентное истечение, благоприятствует воспламенению смеси до ее прихода к носку фурмы. В любой точке криволинейной образующей угол определяется касательной в этой точке и касательной с началом диффузора и должен оставаться меньше половины угла раскрытия. В частности, угол L (фиг.1) определяется касательными в точках Б и В, и должен быть не более 15 (преимущественно между 10 и 12 ). Если при размерах диффузора и форме рассматриваемых образующих полуугол раскрытия в точке В становится больше этого предела, криволинейная образующая БВ диффузора заменяется криволинейной образующей БГ, удлиненной прямой ГВ в точке Г и образующей с касательной в начальной точке Б с БГ угол, равный предельному углу диффузора 3 (фиг. 2). Точка Г может быть определена, так как касательная в этой точке с образующей БГ совпадает с прямой ВГ. Жидкое топливо в смеси с дутьем, направляемое диффузором 3, в котором оно может воспламениться, поступает в носок фурмы, где оно воспламеняется и горит очень быстро в нормальных условиях работы печи. Изменение импульса инжектируемых газов по отношению к инжектированию классического горячего дутья без жидкого топлива составляет максимум 10% и не влечет, следовательно, нарушений в работе шахтной печи. В частности, уравнение каждой криволи,нейной образующей может иметь следующий вид: Х-Х абсписс является осью истечения, а ось ординат - У-У осью, перпендикулярной к прерыдущей в плоскости, определенной образующей и осью истечения, - длина криволинейной части диффузора;YJ, - ордината точки Г; Yg - ордината точки Б; В этом случае градиент давления остает«:ся постоянным в направлении истечения и потери напора минимальны. Фурма длиной 600 мм с диаметром в носке 165 мм, применяемая на доменной печи, имеет следующие характеристики: Диаметр горна8,80 м Количество фурм2О Средняя температура Средняя подача дутья без обогащения кислородом бООО м /час. Устройство, подающее дутье в горн доменной печи (фиг. 3) охлаждается известным способом. Оно содержит рыльную часть 6, корпус 7 фурмы, водяную камеру 8 с одним или несколькими подводами 9 и одним или несколькими отводами 10 воды. Трубопровод фурмы по оси Х-Х состоит из нескольких деталей. Участок входного се чения смешивающего сопла 11 равен участку сечения трубопровода сопла 12, а участок его нижнего сечения равен участку сечения цилиндрической части (диаметр 110м образующей пережим 13, который расположе за ней. Форма смещивающего сопла 11 и длина пережима 13 должны обеспечивать минимальные потери напора. Пережим имеет длину 210 мм. Смешивающее сопло 11 и пережим 13 улучшают стабилизацию -истечения дутья. Участок сечения пережима 13 гораздо меньше, чем участок сечения трубопровода сопла 12, что обеспечивает удовлетворитель ное распыление жидкого топлива с помощью дутья. Скорость дутья в этом случае от 350 до 4ОО м/сек. В этом случае жидкое топливо инжектируется в пережим 13 на выходе криволинейного диффузора 3 через инжектирующий кран 14, который распределяет жидкое топливо в плоскости, строго перпендикулярной направлению дутья.

Расстояние между зоной 2 инжектирования и носком 4, которое определяется таким образом, чтобы время пребывания смеси топпиво-цутье в трубопроводе фурмы было бы меньше времени ее воспламенения, равно 290 мм.

Пережим 13 удлиняется вверху диффузором, сначала криволинейным участком длиною Л 252 мм, затем прямолинейным участком рыльной части 6 длиною 38 мм. Так как инжектирование осуществляется в этом случае на входе диффузора, общая длина диффузора равна длине L, Верхнее сечение диф4гузора круглое и его диаметр является диаметром пережима 13. Его нижнее сечение также круглое с диаметром, равным диаметру носка 4.

Направляющие криволинейной части диффузора в этом случае являются круглыми, все образующие представлены одним уравнемало и не нарушает хода работы печи. Горение значительно интенсивнее и полнее, чем с обычными инжекционными устройствами.

Формула изобретения

1.Фурма доменной печи типа сопла Лаваля, имеющая форсунку для поаачи жидкого топлива в канал, отличающаяс я тем, что, с целью улучшения процесса горения топлива, поверхность стенок диффузора выполнена криволинейной, образующая которой представляет собой кривую с всегда положительной второй производной,

2.Фурма поп, 1, отличающаяся тем, что криволинейный участок диффузора удлинен прямолинейным коническим участком.

3.Фурма по п. 1, отличающаяся тем, что угол раствора диффузора составляет 1О-12 , нием. Это уравнение (I ), принимает, следовательно, следующий вид: чи-1 . в котором К - представляет собой радиус нижнего сечения криволинейной части диффузора, f - радиус верхнего сечения. Этот диффузор имеет концевую прямолинейную часть с радиусом R, следовательно, не является радиусом носка фурмы в точке Г, а является радиусом трубопровода, подающего дутье, в точке Г, а JL представляет собой абсциссу этой точки Г. R 75,5 мм Г 55 мм Прямая ВГ образует с касательной в точке Б, которая в этом случае параллельна оси Х-Х, угол 11°, В данных условиях при температуре дутья 950 С по кругу и дутье, обогащенном кислородом на 25%, пропорция жидкого топлива, добавленного к дутью, близка к стехиометрнческой, либо около 535 л/час, тяжелое жидкое топливо, смешанное с дутьем воспламеняется непосредственно в носке фурмы в печи. Изменение импульса очень