воздухонагреватель

Формула изобретения

Воздухонагреватель, содержащий кожух с футеровкой, насадку, купол, штуцер горячего дутья, расположенный над насадкой на расстоянии до его оси не менее одного диаметра его проходного сечения, форкамеру, расположенную в верхней части купола соосно с ним и имеющую кожух с футеровкой, выполненной независимо от футеровки купола с самостоятельной опорой на кожух форкамеры, коллекторы газа и воздуха, расположенные между кожухом и боковой стенкой футеровки форкамеры один над другим и имеющие подводящие штуцеры и выходные каналы, выполненные в вертикальной боковой стенке футеровки форкамеры так, что 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^oC к радиусам форкамеры, проходящим через центры их выходных сечений, отличающийся тем, что в вертикальной боковой стенке футеровки форкамеры выполнен вертикальный отрезной шов, разделяющий стенку на две независимые части: внутреннюю и наружную, причем футеровка внутренней части боковой стенки является опорой основного слоя футеровки купола форкамеры, а футеровка наружной части боковой стенки, примыкающая к газовому и воздушному коллекторам, и футеровка, примыкающая к этим коллекторам со стороны кожуха, являются опорами перегородки между газовым и воздушным коллекторами.

Описание изобретения к патенту

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

Известны воздухонагреватели без камеры горения (бесшахтные) с установкой горелочных устройств или форкамер на куполе воздухонагревателя (патент России 2145637, а. с. 602555, патент Японии 48-4284, патент США 3473794), которые являются более перспективными аппаратами.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и совокупности признаков является бесшахтный воздухонагреватель по патенту России 2145637, кл. С 21 В 9/02 (прототип). Он имеет кожух с футеровкой, насадку, купол, штуцер горячего дутья, расположенный над насадкой на расстоянии до его оси не менее одного диаметра его проходного сечения, а также форкамеру, расположенную в верхней части купола соосно с ним и имеющую кожух с футеровкой, выполненной независимо от футеровки купола с самостоятельной опорой на кожух форкамеры. В форкамере имеются кольцевые коллекторы газа и воздуха, которые расположены между кожухом и боковой стенкой футеровки форкамеры один над другим. Коллекторы имеют подводящие штуцеры и выходные каналы, причем последние выполнены в вертикальной боковой стенке футеровки форкамеры и выход газа и воздуха происходит непосредственно в форкамеру. За счет того, что 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, в форкамере образуются закрученные потоки газа и воздуха. Закрутка потоков обеспечивает полное выгорание газа до входа в насадку и равномерное распределение потока по насадке.

Доменные воздухонагреватели являются крупногабаритными высокотемпературными аппаратами и требуют для своего сооружения больших затрат. Поэтому одним из основных требований к ним является увеличение межремонтного срока службы, что снижает затраты на ремонты. В связи с этим известный воздухонагреватель имеет ряд недостатков.

Воздухонагреватели представляют собой аппараты регенеративного типа. Основной их особенностью является периодичность работы. В газовый период в воздухонагреватели подается газ и воздух, в форкамере и под куполом газ сжигается и продуктами горения нагревается насадка. В дутьевой период подача газа и воздуха отключается, снизу в насадку подается холодное дутье, которое в насадке нагревается, выходит под купол и далее через штуцер горячего дутья подается к доменной печи. В газовый период в коллекторы подаются холодные газ и воздух и кладка в районе коллекторов охлаждается. В дутьевой период, когда газ и воздух отключены, форкамера и кладка в районе коллекторов нагревается. В последующий газовый период кладка в районе коллекторов снова охлаждается холодными газом и воздухом.

Наибольшая разность температур между дутьевым и газовым периодами возникает по толщине вертикальной боковой стенки футеровки форкамеры, которая разделяет коллекторы с более низкой температурой и внутреннюю полость форкамеры с высокой температурой. За счет периодических колебаний температур в кладке вертикальной боковой стенки форкамеры и в коллекторах газа и воздуха возникают периодические удлинения, которые вызывают большие термические напряжения и при длительной эксплуатации могут привести к образованию трещин в вертикальной боковой стенке, к выходу из строя форкамеры и остановке воздухонагревателя на ремонт.

Другим важным элементом форкамеры является перегородка между газовым и воздушным коллекторами. При более высокой температуре боковой стенки, выходящей во внутреннюю полость форкамеры, по сравнению с футеровкой коллекторов, примыкающей к кожуху, перегородка будет постоянно испытывать изгибающие усилия за счет большего температурного роста внутренней стенки форкамеры. Постоянные периодические изменения температуры внутренней стенки между периодами могут привести к повреждению перегородки между коллекторами, смешению и загоранию газа и воздуха в коллекторах и выходу из строя форкамеры и воздухонагревателя.

В основу настоящего изобретения поставлена задача уменьшения эксплуатационных затрат 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, купол, штуцер горячего дутья, расположенный над насадкой на расстоянии до его оси не менее одного диаметра его проходного сечения, форкамеру, расположенную в верхней части купола соосно с ним и имеющую кожух с футеровкой, выполненной независимо от футеровки купола с самостоятельной опорой на кожух форкамеры, коллекторы газа и воздуха, расположенные между кожухом и боковой стенкой футеровки форкамеры один над другим и имеющие подводящие штуцеры и выходные каналы, выполненные в вертикальной боковой стенке футеровки форкамеры так, что 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, в вертикальной боковой стенке футеровки форкамеры выполнен вертикальный отрезной шов, разделяющий стенку на две независимые части, причем футеровка внутренней части боковой стенки является опорой основного слоя футеровки купола форкамеры, а футеровка наружной части боковой стенки, примыкающая к газовому и воздушному коллекторам, и футеровка, примыкающая к этим коллекторам со стороны кожуха, являются опорами перегородки между газовым и воздушным коллекторами.

Выполнение вертикальной боковой стенки футеровки форкамеры из двух независимых частей, разделенных вертикальным отрезным швом, позволяет обеим частям стены, имеющим разные средние температуры, при колебаниях температур расширяться независимо друг от друга, что уменьшит термические напряжения в кладке боковой стенки форкамеры и будет способствовать увеличению стойкости и срока службы форкамеры. При этом целесообразно основной слой футеровки купола форкамеры, который выполняется из плотного огнеупора, опереть не на всю площадь боковой стенки форкамеры, а только на ее внутреннюю часть, что исключит перекосы и повреждения опорных кирпичей купола и будет способствовать увеличению его стойкости.

Выполнение перегородки между газовым и воздушным коллекторами с опорой на наружную часть футеровки боковой стенки, примыкающую к газовому и воздушному коллекторам, и футеровку, примыкающую к коллекторам со стороны кожуха, создаст более благоприятные условия для службы перегородки, т.к. обе стенки футеровки, примыкающие к коллекторам, будут иметь близкую среднюю температуру и при колебаниях температур будут иметь близкое удлинение. Это должно уменьшить изгибающие усилия на эту перегородку и увеличить ее стойкость.

В результате такого конструктивного выполнения воздухонагревателя значительно уменьшаются термические напряжения в кладке форкамеры, что должно уменьшить ее разрушение и увеличить срок службы между ремонтами воздухонагревателя.

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.

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 газа 14 и воздуха 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.

В вертикальной боковой стенке 10 камеры 6 имеется вертикальный отрезной шов 19, который делит боковую вертикальную стенку 10 на две части: внутреннюю 20 и наружную 21. Купол 22 форкамеры 6 опирается на внутреннюю стенку 20. Перегородка 23 между газовым и воздушным коллекторами опирается на наружную часть 21 вертикальной боковой стенки и стенку 24, примыкающую к коллекторам со стороны кожуха.

Описанный воздухонагреватель содержит существенные отличия и работает следующим образом.

В газовый период воздух для горения по патрубку 17 подается в воздушный коллектор 15, расположенный в форкамере между стенками 21 и 24 ее футеровки под газовым коллектором 14, и через каналы 12, 13 поступает в форкамеру. Газ по патрубку 16 подается в газовый коллектор 14, расположенный в форкамере также между стенками 21 и 24 ее футеровки над воздушным коллектором 15, откуда через каналы 11 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 струи воздуха из каналов 13, затем - из каналов 12. В результате происходит интенсивное выгорание газа в форкамере, которое полностью заканчивается в середине конусной части купола.

В этот период в коллекторы поступают холодные газ и воздух и средняя температура стенок 21 и 24 будет минимальна. Температура внутри форкамеры, а следовательно, и температура стенки 20 будут значительно выше, т.к. здесь происходит сжигание газа. Однако наличие отрезного шва 19 позволяет стенкам 20 и 21 свободно удлиняться без взаимного повреждения. Перегородка 23 также будет находиться в благоприятных условиях, т.к. стенки 21 и 24 будут находиться примерно при одинаковой средней температуре и разность их удлинений будет мала.

В дутьевой период подача газа и воздуха в форкамеру отключается. Холодное дутье поступает в насадку 3 снизу и, проходя ее вверх, нагревается. Нагретое дутье выходит под купол 5 и отводится через штуцер 4 горячего дутья к потребителю, например в доменную печь.

В этот период вследствие отключения газа и воздуха горячее дутье из-под купола поступает в форкамеру и далее через каналы 11, 12, 13 поступает в газовый и воздушный коллекторы. Стенки 21 и 24 нагреваются и к концу дутьевого периода их температура становится максимальной. Однако вследствие того, что они обе выходят в коллектор их средние температуры и удлинения при разогреве будут близки, что не приведет к повреждению перегородки 23 между коллекторами. Изменение средней температуры стенки 20 между обеими периодами будет меньше, однако, ее свободное расширение не приведет к взаимному повреждению стенок 20 и 21 и будет способствовать хорошей стойкости кладки купола форкамеры.

Таким образом, колебания температур футеровки форкамеры в разные периоды работы воздухонагревателя при заявляемой конструкции воздухонагревателя не приведут к значительному росту температурных напряжений в ее кладке и к повреждению последней. Это позволит увеличить межремонтный срок службы бесшахтного воздухонагревателя заявленной конструкции и уменьшить затраты на ремонт.

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.