воздухонагреватель

Формула изобретения

Воздухонагреватель, содержащий кожух с куполом, имеющие футеровку, насадку, расположенный над ней штуцер горячего дутья, форкамеру, коллекторы газа и воздуха с подводящими штуцерами и каналами, отличающийся тем, что форкамера расположена в верхней части купола соосно с ним и имеет кожух с футеровкой, выполненной независимо от футеровки купола с самостоятельной опорой на кожух форкамеры, штуцер горячего дутья расположен над насадкой на расстоянии до его оси не менее одного диаметра его проходного сечения, коллекторы газа и воздуха расположены между кожухом и боковой стенкой футеровки форкамеры один над другим, а сообщающиеся с ними каналы выполнены в вертикальной боковой стенке футеровки форкамеры с возможностью подачи газа и воздуха непосредственно в форкамеру, при этом оси каналов верхнего ряда из нижнего коллектора направлены к оси форкамеры и смещены вверх от горизонтальной плоскости на угол до 30^o, а оси всех остальных каналов расположены в горизонтальной плоскости и направлены под углом 15 - 30^o к радиусам форкамеры, проходящим через центры их выходных сечений.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области черной металлургии, в частности к конструкции аппаратов для нагрева воздушного дутья доменных печей.

Известны воздухонагреватели с внутренней и наружной камерами горения, которые имеют ряд существенных недостатков. Известны также воздухонагреватели без камеры горения (бесшахтные) с установкой горелочных устройств или форкамер на куполе воздухонагревателя (а.с. N 602555, а.с. N 926017, патент Японии N 48-4284, патент США N 3473794), которые являются более перспективными аппаратами.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и совокупности признаков является бесшахтный воздухонагреватель по а.с. N 602555, кл. С 21 В 9/02 (прототип). Он имеет кожух с футеровкой, насадку, расположенный над насадкой штуцер горячего дутья, купол, кольцевую форкамеру, выполненную между футеровкой купола и насадочной камерой. В нижней части форкамеры располагается многосопловая горелка, под которой располагаются кольцевые коллекторы газа и воздуха, имеющие подводящие патрубки и выходные каналы. Каналы перекрыты сверху насадками для газа и воздуха. Между насадками расположены смесительные камеры горелок. На выходе из горелки газовоздушная смесь, полученная в смесительных камерах, загорается и продукты горения распространяются в форкамере сначала вверх, затем на куполе меняют направление на обратное и поступают в насадку.

Доменные воздухонагреватели относятся к дорогим и энергоемким объектам. Поэтому основными требованиями к ним является снижение эксплуатационных затрат и увеличение межремонтного срока службы. В связи с этим известный воздухонагреватель имеет ряд недостатков.

Горелка известного воздухонагревателя должна иметь весьма высокое гидравлическое сопротивление как по газовому, так и по воздушному трактам, что связано с перекрытием выходных каналов насадками. Кроме того, при выходе горящей газовоздушной смеси из смесительных камер с большой скоростью также создается большое гидравлическое сопротивление. Высокое гидравлическое сопротивление требует увеличения давления газа перед воздухонагревателями, установки более мощных вентиляторов и ведет к увеличению эксплуатационных затрат.

Интенсивное перемешивание и загорание газа в смесителях должно привести к высокому уровню температур в форкамере, что может вызвать уменьшение ее стойкости. Кроме того, в газовый период в горелку подаются холодные газ и воздух. Кладка газовых и воздушных насадков в горелке будет иметь большие перепады температур по толщине, что должно привести ее к быстрому растрескиванию и разрушению. После отключения горелки в дутьевой период кладка насадков будет интенсивно нагреваться и при последующем включении горелки в газовый период будет весьма интенсивно охлаждаться, что вызовет большие колебания температур кладки горелки и также будет вызывать ее разрушение.

Вход продуктов горения после поворота под куполом в насадку будет происходить прямым потоком, что будет приводить к неравномерности распределения продуктов горения по насадке в газовый период с максимальными расходами в центре и минимальными на периферии. Это будет приводить к неравномерному полю температур по насадке. С другой стороны, близкое расположение штуцера горячего дутья к насадке будет приводить к неравномерному полю температур в насадке в дутьевой период. В результате в насадке будут возникать температурные напряжения, которые могут привести к ее повреждению.

Расположение форкамеры между куполом и насадкой приводит к весьма существенному недостатку этой конструкции. Возникает противоречие: с одной стороны, для уменьшения гидравлических сопротивлений требуется увеличение сечения форкамеры и горелочных устройств, с другой стороны, увеличение сечения форкамеры приводит к увеличению поперечных размеров воздухонагревателей при той же тепловой мощности, что затрудняет их установку в габаритах существующих блоков воздухонагревателей на доменных печах.

В основу настоящего изобретения поставлена задача уменьшения эксплуатационных затрат за счет уменьшения гидравлических сопротивлений по газовому и воздушному трактам и за счет увеличения срока службы воздухонагревателя без ремонта, особенно при высоких температурах дутья.

Решение поставленной задачи достигается тем, что, согласно изобретению, в известном воздухонагревателе, содержащем кожух с футеровкой, насадку, штуцер горячего дутья, купол, форкамеру, коллекторы газа и воздуха, имеющие подводящие штуцеры и каналы, форкамера расположена в верхней части купола соосно с ним и имеет кожух с футеровкой, выполненной независимо от футеровки купола с самостоятельной опорой на кожух форкамеры, штуцер горячего дутья расположен над насадкой на расстоянии до его оси не менее одного диаметра его проходного сечения, коллекторы газа и воздуха расположены между кожухом и боковой стенкой футеровки форкамеры один над другим, а выходные каналы выполнены в вертикальной боковой стенке футеровки форкамеры с возможностью подачи газа и воздуха непосредственно в форкамеру, при этом оси каналов верхнего ряда из нижнего коллектора направлены к оси форкамеры и смещены вверх от горизонтальной плоскости на угол до 30^o, а оси всех остальных каналов расположены в горизонтальной плоскости и направлены под углом 15-30^o к радиусам форкамеры, проходящим через центры их выходных отверстий.

Выполнение форкамеры в верхней части купола значительно уменьшает поперечные размеры воздухонагревателей и делает их равными размерам обычных воздухонагревателей с независимой опорой кладки купола на кожух. Это весьма важно, т.к. позволяет вести реконструкции обычных воздухонагревателей в бесшахтном варианте по предлагаемому изобретению при существующих габаритах блоков воздухонагревателей.

Расположение штуцера горячего дутья на расстоянии от насадки не менее одного диаметра его проходного сечения обеспечит хорошее распределение дутья по насадке, что должно увеличить стойкость насадки.

Направление выходных каналов непосредственно в форкамеру с возможностью подачи туда газа и воздуха, а также отсутствие смесителей и сжигание газа непосредственно в объеме форкамеры значительно уменьшает гидравлическое сопротивление воздухонагревателей и эксплуатационные затраты.

При направлении каналов под углом 15-30^o к радиусам в горизонтальном направлении в форкамере образуется закрученный поток. Закрутка выполняет две функции: с одной стороны, она интенсифицирует перемешивание газа и воздуха в форкамере и обеспечивает полное выгорание газа до входа в насадку. С другой стороны, она улучшает распределение продуктов горения по насадке. Однако при больших габаритах доменных воздухонагревателей и больших расходах доменного газа при одинаковом угле закрутки всех каналов перемешивание может быть недостаточным для полного сгорания газа до входа в насадку. Это связано с тем, что на выходе из форкамеры создается два закрученных потока, движущихся послойно: в центре - поток из верхнего коллектора, по периферии - поток из нижнего коллектора. При направлении, согласно изобретению, каналов верхнего ряда из нижнего коллектора в радиальном направлении их струи проникают к оси форкамеры в зону другого закрученного потока и улучшают перемешивание, так что горение полностью заканчивается до входа в насадку. В то же время при направлении каналов из других рядов нижнего коллектора под углом 15-30^o к радиусам сохраняется общая высокая закрутка потока, обеспечивающая полное выгорание газа до входа в насадку и равномерный вход потока в насадку. При этом вдоль стенки форкамеры у каналов располагается зона низких температур, а в центре - зона высоких температур, что способствует увеличению стойкости кладки.

При этом желательно, чтобы верхние каналы из нижнего коллектора, направленные по радиусу, были еще направлены вверх под углом до 30^o, что, не изменяя общей закрутки, создает поток воздуха (газа), направленный к струям газа (воздуха), выходящим из верхнего коллектора. Газовые (воздушные) струи, имеющие значительно большую скорость, чем средняя скорость в форкамере, подсасывают воздух (газ) уже при выходе из каналов, что обеспечивает раннее загорание газа в верхней части форкамеры, увеличивает температуру кладки этой части в газовый период.

В результате такого конструктивного выполнения воздухонагревателя значительно снижается его гидравлическое сопротивление и уменьшаются эксплуатационные расходы. Кроме того значительно уменьшаются поперечные размеры воздухонагревателя и становится возможным разместить его в существующих габаритах блоков при реконструкции воздухонагревателей. Организация сжигания газа не в специальных смесителях, а во всем объеме форкамеры снижает общий уровень температур в форкамере и уменьшает колебания температур в ее кладке, что должно увеличить термическую стойкость кладки, уменьшить ее разрушение и увеличить межремонтный срок службы форкамеры и воздухонагревателя. Вертикальная закрутка потока, выходящего из форкамеры, улучшает распределение продуктов горения по насадке, уменьшает неравномерность температур и возможность ее повреждения.

Сущность изобретения поясняется графическими материалами, где представлено:

фиг. 1 - общий вид одного из возможных вариантов выполнения бесшахтного воздухонагревателя предлагаемой конструкции, вертикальный разрез, где штуцеры подвода газа и воздуха и штуцер горячего дутья условно совмещены в одной плоскости;

фиг. 2 - разрез I - I на фиг. 1;

фиг. 3 - диаграмма относительных скоростей потоков в вертикальной плоскости перед входом в насадку: 1 - при радиальном направлении всех каналов в форкамере (поток без закрутки, как в прототипе): 2 - при угле 35^o между всеми каналами и их радиусами (чрезмерная закрутка); 3 - при положении каналов согласно предлагаемому изобретению; стрелкой указано направление потока к насадке;

фиг. 4 - зависимость максимальной относительной неравномерности скоростей в каналах насадки (дутьевой период) от относительного расстояния от насадки до оси штуцера горячего дутья.

Воздухонагреватель содержит кожух 1 с футеровкой 2, насадку 3, штуцер горячего дутья 4, купол 5 с расположенной в его верхней части соосной ему форкамерой 6, имеющей кожух 7 и футеровку 8, выполненную независимо от футеровки купола с самостоятельной опорой 9 на кожух. Штуцер горячего дутья 4 расположен над насадкой 3 на расстоянии до его оси не менее 1 диаметра его проходного сечения. В вертикальной стенке форкамеры выполнены каналы для прохода газа 11 и воздуха 12, 13, сообщающиеся с внутренними коллекторами 14 и 15 и штуцерами 16 и 17 подвода газа и воздуха. Оси каналов 11, 12 расположены в горизонтальной плоскости под углом = 15-30^o к радиусам, проходящим через центры их выходных отверстий. Оси каналов 13 верхнего ряда из нижнего коллектора 15 направлены к оси воздухонагревателя 18 и смещены вверх на угол до 30^o к горизонтальной плоскости. Предпочтительно, чтобы в верхний коллектор подавался газ, а в нижний воздух, как это и показано на фиг. 1. Однако подача может быть и обратной.

Описанный воздухонагреватель содержит существенные отличия и работает следующим образом.

В период нагрева воздух для горения по патрубку 17 подается в воздушный коллектор 15, расположенный внутри воздухонагревателя между кожухом и футеровкой форкамеры под газовым коллектором 14, и через каналы 12, 13 в вертикальной стенке футеровки 10 поступает в форкамеру. Газ по патрубку 16 подается в газовый коллектор 14, расположенный внутри воздухонагревателя между кожухом и футеровкой форкамеры над воздушным коллектором 17, откуда через каналы 11, расположенные в вертикальной стенке 10 футеровки, поступает в форкамеру. Струи газа уже на выходе из каналов 11 подсасывают находящийся в форкамере воздух, в результате чего происходит загорание газа в верхней части форкамеры от ее кладки, разогретой в период дутья. При направлении верхнего ряда воздушных струй по радиусу и вверх на угол до 30^o условия начального перемешивания и загорания газа и воздуха улучшаются. В верхней части форкамеры образуется горящий закрученный поток газа. Как показали испытания на огневом стенде, температура в верхней части форкамеры при этом достаточна для воспламенения газа.

При дальнейшем движении в этот поток внедряются вначале радиально расположенные струи воздуха из каналов 13, обеспечивая подачу воздуха к центру газового потока. Общая закрутка потока при этом уменьшается. Затем в поток поступают струи воздуха из каналов 12, которые подают воздух к периферийной части потока и снова увеличивают закрутку потока. В результате происходит интенсивное выгорание газа в форкамере, которое полностью заканчивается в середине конусной части купола.

Распределение продуктов горения по насадке сильно зависит от закрутки потока. Как показали исследования на аэродинамическом стенде, при направлении всех горизонтальных каналов радиально, образуется прямоточный поток без закрутки, как это имеет место в прототипе. Наибольшие скорости при этом наблюдаются в центральной части сечения насадки, а минимальные на периферии (фиг. 3, кривая 1). Распределение продуктов горения по насадке получается неравномерным. Аналогичная картина получается при направлении каналов к радиусам под углом меньшим 15^o. При направлении всех горизонтальных каналов под углом большим 30^o закрутка становится чрезмерной, и наибольшие скорости наблюдаются в периферийной части сечения насадки, а минимальные в ее центре (фиг. 3, кривая 2). Распределение продуктов сгорания по насадке также неравномерное. В обоих случаях это приведет к снижению температуры дутья, а также к повреждению насадки и ухудшению стойкости воздухонагревателя. При выполнении конструкции, согласно изобретению, равномерность распределения потоков по насадке получается весьма высокая (фиг. 3, кривая 3), что должно обеспечить более равномерное распределение температур по насадке и уменьшить возможность ее повреждения.

В дутьевой период холодное дутье поступает в насадку 3 снизу и, проходя ее вверх, нагревается. Нагретое дутье выходит под купол 5 и отводится через штуцер горячего дутья 4 к потребителю, например, в доменную печь. Как показали исследования на аэродинамическом стенде (фиг. 4) при расположении штуцера горячего дутья, согласно изобретению, на расстоянии от насадки не менее 1 диаметра его проходного сечения обеспечивается хорошая равномерность распределения дутья по насадке. При значении относительного расстояния от насадки меньше 1 наблюдается резкое ухудшение равномерности распределения потоков по насадке.

В период дутья, вследствие высокой температуры горячего дутья в форкамере поддерживается температура кладки, достаточная для зажигания газа в газовый период. Однако общий уровень температур и перепад температур в кладке форкамеры между газовым и дутьевым периодами будет меньше, чем в форкамере по прототипу, что должно обеспечить высокую термическую стойкость кладки форкамеры. Улучшение распределения продуктов горения по насадке уменьшает неравномерность температур и возможность ее разрушения.

Все это позволяет увеличить межремонтный срок службы воздухонагревателя заявленной конструкции и уменьшить эксплуатационные затраты.

Изобретение может быть использовано не только в черной металлургии для нагрева дутья доменных печей, но также в энергетике для нагрева теплоносителя (воздуха, газа) до высоких температур.