способ комбинированной струйно-акустической интенсификации тепломассообмена в рабочем пространстве промышленных печей

Формула изобретения

1. Способ комбинированной струйно-акустической интенсификации тепломассообмена в рабочем пространстве промышленных печей, включающий подачу в печь топлива и воздуха через горелку для создания факела горения и подачу акустически возбужденных воздушных струй, отличающийся тем, что одновременно с подачей акустически возбужденных воздушных струй в рабочее пространство печи в одном направлении с факелом подают высокоскоростные сверхзвуковые струи интенсификатора в количестве 10-20% от расхода воздуха, подаваемого для горения, с возможностью создания в потоках факела и интенсификатора звукового акустического поля с удельной мощностью 0,05-0,15 Вт/м³, при этом акустически возбужденные воздушные струи подают сверху потоков факела и интенсификатора со свода печи под углом 30-60^o к поверхности ванны на расстоянии не менее чем L = (1,2-2,0)В, где В - ширина ванны печи.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при увеличенном расходе интенсификатора его подают тремя потоками струй, удаленных на расстоянии от оси горелки соответственно до 8 и до 25-30 диаметров выходного сопла горелки, причем второй поток струй размещают в воздухе для горения.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в случае реверсирования факела горения обеспечивают соответствующее переключение акустически возбужденной струи в направлении факела.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к металлургии, в частности к плавильным печным агрегатам (мартеновские, двухванные, отражательные и др.). Оно может быть использовано в стекловаренных печах.

Известны способы струйной интенсификации тепломассообмена в рабочем пространстве плавильных печей [1] . Подача высокоскоростных сверхзвуковых струй в рабочее пространство под некоторым углом к факелу горения увеличивает теплоотдачу за счет интенсификации процессов перемешивания и горения, интенсифицирует процессы массообмена факела с расплавленной ванной, что ускоряет процессы выгорания примесей и дегазацию ванны.

Однако при этом расход интенсифицирующих струй (компрессорный воздух, кислород) не удается увеличить более 3-5% от расхода воздуха, необходимого для горения топлива, так как при большем расходе резко увеличиваются вынос плавильной пыли из рабочего пространства и образования оксидов азота. Увеличение выбросов пыли и оксидов азота приводит к загрязнению окружающей среды, необходимости принятия дополнительных дорогостоящих мер по очистке продуктов сгорания.

Известен также способ кислородно-факельной плавки [2], при котором 10-30% общего дутья подают струями, возбуждаемыми акустическими колебаниями с удельной мощностью 0,1-0,15 кВт/м² площади поверхности расплава, что обеспечивает снижение пылеобразования в рабочем пространстве и выноса пыли.

Однако недостатком этого способа является низкая теплоотдача от факела к ванне и невысокий уровень массообмена факела с ванной, что замедляет протекание технологических процессов.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является увеличение теплоотдачи от факела к ванне и интенсификация процессов теплообмена факела с ванной для увеличения производительности печей и снижения расхода топлива при одновременном снижении пылеобразования и образования оксидов азота, уменьшения их выбросов в атмосферу. Для достижения указанного технического результата способ комбинированной струйно-акустической интенсификации тепломассообмена в рабочем пространстве промышленных печей включает подачу в печь топлива и воздуха через горелку для создания факела горения и подачу акустически возбужденных воздушных струй, при этом согласно изобретению одновременно с подачей акустически возбужденных воздушных струй в рабочее пространство печи в одном направлении с факелом подают высокоскоростные сверхзвуковые струи интенсификатора в количестве 10-20% от расхода воздуха, подаваемого для горения, с возможностью создания в потоках факела и интенсификатора звукового акустического поля с удельной мощностью 0,05-0,15 Вт/м³, при этом акустически возбужденные воздушные струи подают сверху потоков факела и интенсификатора со свода печи под углом 30-60^o к поверхности ванны на расстоянии не менее чем L=(1,2-2,0)В, где В - ширина ванны печи.

Кроме того, согласно изобретению при увеличенном расходе интенсификатора его подают тремя потоками струй, удаленных на расстоянии от оси горелки соответственно до 8 и до 25-30 диаметров выходного сопла горелки, причем второй поток струй размещают в воздухе для горения.

Кроме того, согласно изобретению в случае реверсирования факела горения обеспечивают соответствующее переключение акустически возбужденной струи в направлении факела горения.

На фиг. 1 представлено устройство, реализующее предлагаемый способ. Оно содержит рабочее пространство печи 1, поверхность плавильной ванны 2, свод печи 3, основную газомазутную горелку 4 с подачей мазута, природного газа и сжатого воздуха, боковые фурмы 5 для подачи в факел высокоскоростных сверхзвуковых струй с использованием сжатого воздуха, кислорода, дополнительные фурмы 6 для подачи струй газа в потоке воздуха для горения, фурму 7 в своде печи с установленным в ней газоструйным излучателем для подачи акустически возбужденной струи с использованием компрессорного воздуха.

Устройство работает следующим образом.

В основную горелку 4 подается природный газ, мазут, а также сжатый воздух для распыливания жидкого топлива и в качестве интенсификатора.

В рабочем пространстве печи создается факел горения, направленный на поверхность ванны. Через боковые фурмы 5, расположенные вблизи выходного сопла горелки (на расстоянии, а, до 8 диаметров выходного сопла горелки), подаются высокоскоростные сверхзвуковые струи интенсификатора (кислород, сжатый воздух) с давлением свыше 0,5-0,6 МПа (5-6 атм).

С целью рассредоточения подачи топлива и интенсификатора дополнительное топливо в струи интенсификатора подается через фурмы 6, расположенные на более удаленном расстоянии (В=25-30 диаметров выходного сопла горелки) от основной горелки в потоке воздуха для горения, что обеспечивает дополнительное увеличение кинетической энергии потока и эжекцию воздуха для горения в факел.

При этом расход интенсификатора через фурмы 5 и 6 составляет 10-20% от общего расхода воздуха на горение. Через фурму 7, установленную в своде печи 3, на расстоянии от выходного сечения сопла горелки L=(1,2-2,0)В, где В - ширина ванны, с использованием газоструйного излучателя в рабочее пространство печи под углом =30-60^o к поверхности ванны подается акустически возбужденная струя, охватывающая поток продуктов сгорания. При этом мощность акустического поля составляет 0,05-0,15 Вт/м³.

На фиг.2 представлен газоструйный излучатель, с помощью которого получают акустически возбужденную струю газа. Он включает в себя сопло для подачи газа (воздух, пар, кислород и т.д.) 1, трубчатый резонатор 2, рефлектор-отражатель 3, корпус 4, трубопровод акустически возбужденного газа 5 и выходное сопло 6. При подаче газа через сопло 1 в резонаторе возбуждаются акустические колебания и акустически возбужденная струя подается через трубопровод 5 и далее через выходное сопло 6 в рабочее пространство печи.

Создание в потоке продуктов сгорания акустического поля обеспечивает пылеосаждение на поверхность ванны, снижение образования оксидов азота в рабочем пространстве печи при повышенном расходе интенсификатора и увеличение теплоотдачи на ванну.

В случае реверсирования факела горения (мартеновские печи) фурма 7 обеспечивает соответствующее переключение направления акустически возбужденной струи в направлении факела горения.

Приведем пример использования предлагаемого способа на мартеновских печах Северского трубного завода. Мартеновские печи емкостью 250 тонн отапливаются смесью природного газа и мазута. Давление природного газа Р₂=1,0-1,1 МПа, расход газа 1000-4800 м³/час, расход мазута 0-3000 кг/час. Для интенсификации процессов топлива, теплообмена используется компрессорный воздух. Рв= -0,5-0,6 МПа, расход 1000-5500 м³/час, кислород Рк=0,5-1,0 МПа, расход 100-300 м³/час. С целью повышения производительности печи, снижения удельного расхода топлива, уменьшения пылевыноса, без увеличения выбросов оксидов азота печи оборудовали устройством "каскадной" подачи интенсификаторов с установкой на своде печи газоструйного излучателя. Конструкция излучателя позволяет менять направление акустически возбужденной струи в зависимости от направления основного факела. Давление воздуха, подаваемого на акустический излучатель Ра=0,5-0,6 МПа, расход воздуха 200-1000 м³/час. В зависимости от периодов плавки, технологических особенностей ведения плавки, марок сталей, режимов энергоснабжения и т.д. расход компрессорного воздуха, вентиляторного воздуха, природного газа, мазута меняется. Последовательность включения и отключения "каскадов" интенсификации, продолжительность времени их работы также меняются в зависимости от ранее перечисленных условий. На большинстве плавок в периоды завалки шихтовых материалов, плавлении все "каскады" интенсификации включены и работают одновременно, а в период доводки плавки "каскад" из дополнительных газовых струй (поз.6, фиг.1) отключается.

Испытание данного способа на мартеновской печи Северского трубного завода показало его преимущество - возможность существенного увеличения расходов интенсификатора без дополнительного увеличения пылевыноса и образования оксидов азота, что приводит к увеличению производительности печи на 0,1%.

Источники информации

1. Лисенко В.Г. и др. Усовершенствование методов сжигания природного газа в сталеплавильных печах. - М.: Металлургиздат, 1977, с.280.

2. Бажанов Л. Н. и др. Способ кислородно-факельной плавки. Авт. св. 1414873, БИ 29, 07.08.1988.