способ сжигания углеводородного топлива в вагранке

Формула изобретения

Способ сжигания углеводородного топлива в вагранке, включающий подачу воздушного потока и углеводородного топлива в горелочную систему, разложение углеводородного топлива на водород и углерод путем его нагрева, отличающийся тем, что разложению на водород и углерод подвергают 3-28% углеводородного топлива путем нагрева его до температуры 325-550°С, перемешивают полученные горячий водород и нагретые частицы углерода с неразложенным углеводородным топливом с образованием реакционно-активной топливной смеси, которую подают в воздушный поток при отношении скорости реакционно-активной топливной смеси к скорости воздушного потока 1,2-3 и поджигают полученную смесь.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к производству строительных материалов и может быть применено при плавке неметаллических материалов в вагранке для получения из расплава каменного литья, шлаковаты.

Известно сжигание горючих газов в топочных устройствах (1. Сжигание горючих газов в топочных устройствах / Н.В.Лавров, В.М.Попов, Л.И.Истомин, А.К.Шубников. - М.-Л.: Издательство «Энергия», 1966, стр.105-119; 2. Иссерлин А.С. Основы сжигания газового топлива: Справочное руководство. - Л.: Недра, 1980, стр.137-193; 3. Использование газа в промышленных печах: Справочное руководство / Я.С.Глозштейн, Д.В.Карпов, Л.Н.Муромский, Н.В.Арапов. - Л.: Издательство «Недра», 1967, стр.129-167; 4. Телегин А.С., Авдеева В.Г. Теплотехника и нагревательные устройства. - М.: Машиностроение, 1985, стр.128-130; 5. Чепель В.М., Шур И.А. Сжигание газов в топках котлов и печей и обслуживание газового хозяйства предприятий. - 7-е изд., перераб. и доп. - Л.: Недра, 1980, стр.320-334). Применяются в промышленности способы сжигания горючих газов, при которых обеспечивается контакт горючих составляющих газа с кислородом воздуха путем смешения газа с воздухом в горелке или в процессе горения, организовывается воспламенение смеси путем начального зажигания и непрерывное воспламенение новых порций газовоздушной смеси, создаются условия протекания процесса горения. Однако при известных способах сжигания газообразного топлива остаются пока проблемными получение устойчивого пламени, обладающего необходимыми для протекания технологического процесса свойствами и имеющего определенную длину, жесткость, светимость, уровень и поле распределения температур; согласование подвода тепловой энергии в технологический процесс с потребностью в ней; осуществление процесса сжигания газообразного топлива с наивысшим коэффициентом полезного действия. Нет рекомендаций по рациональным способам сжигания углеводородного топлива в вагранках.

Известен способ сжигания углеводородного топлива в вагранке, включающий подачу воздуха и углеводородного топлива в горелку, перемешивание топлива с воздухом и поджигание газовоздушной смеси (Новые, не выделяющие пыль металлургические печи / В.А.Грачев, А.А.Черный. - Известия высших учебных заведений. Черная металлургия, № 8, 1992, стр.60-63). При этом способе сжигания углеводородного топлива в газовой горелке вагранки газораспределительные трубы омываются горячим воздухом, в связи с чем движущийся по трубам горючий газ нагревается. Многоструйное распределение подогретого горючего газа в потоке горячего воздуха способствует стабилизации процесса горения, уменьшению длины факела и повышению температуры в нем. Недостатком является то, что природный газ не нагревается в газораспределительных трубах до такой температуры, при которой начинается разложение углеводородов на водород и углерод, а следовательно, не была выявлена возможность дальнейшего улучшения показателей процессов сжигания и плавки.

Наиболее близким аналогом является способ сжигания углеводородного топлива из SU 1725020 A1, F23D 14/00, 07.04.1992.

Известный способ сжигания углеводородного топлива осуществляется при использовании газовой горелки, содержащей воздушную камеру и сужающееся к выходному сечению воздушное сопло.

К воздушной камере со стороны, противоположной выходному сечению воздушного сопла, присоединена газовая камера, футерованная изнутри теплоизоляционными и огнеупорными материалами, с установленными в ней электродами для подвода электрического тока, между которыми помещен электродный кусковой материал, например бой углеродсодержащих электродов, причем с одной стороны газовая камера снабжена трубой для подвода газообразного топлива, а с другой - трубой для отвода нагретого газа, проходящей через воздушную камеру и воздушное сопло (Патент SU 1725020 А1, Газовая горелка, F23D 14/00, Бюл. № 3 от 07.04.92). Осуществляемый при использовании этой газовой горелки способ - сложный, не позволяет получать стабильные показатели по длине факела, и его излучательной способности, температуры в нем. Электродный углеродсодержащий кусковой материал расходуется неравномерно, на нем образуются частицы сажи при разложении углеводорода, уменьшающие размеры проходов для газов, между кусками углеродного материала образуются нестабильные электрические дуги, что снижают работоспособность устройства, следовательно, не достигается требуемое уменьшение длины факела, повышение температуры, необходимой для плавки в вагранке тугоплавких материалов и перегрева вязких расплавов.

Техническим решением является уменьшение длины факела, повышение температуры в вагранке для плавки тугоплавких материалов и перегрева вязких расплавов.

Предлагается способ сжигания углеводородного топлива в вагранке, включающий подачу воздушного потока и углеводородного топлива в горелочную систему, разложение углеводородного топлива на водород и углерод путем его нагрева, отличающийся от известного тем, что разложению на водород и углерод подвергают 3-28% углеводородного топлива путем нагрева его до температуры 325-550°С, перемешивают полученные горячий водород и нагретые частицы углерода с неразложенным углеводородным топливом с образованием реакционно-активной топливной смеси, которую подают в воздушный поток при отношении скорости реакционно-активной топливной смеси к скорости воздушного потока 1,2-3 и поджигают полученную смесь.

Такое сочетание новых признаков с известными позволяет интенсифицировать процессы горения, уменьшить длину факела, повысить тепловое напряжение и температуру в факеле, увеличить температуру в вагранке, что позволяет плавить тугоплавкие материалы и достигать требуемого перегрева вязких расплавов для заливки неметаллических отливок.

Предлагаемый способ сжигания углеводородного топлива осуществляется следующим образом. В газовую горелку подают углеводородное топливо (природный газ). Стенки трубопроводов, по которым движется горючий газ, нагревают так, чтобы температура углеводородов (Т) повышалась до 325-550°С. При этом разлагается (G) 3-28% углеводородов от массы подаваемого топлива на водород и углерод. В трубопроводах турбулизируют потоки, перемешивают горячий водород и нагретые частицы углерода с углеводородами топлива, образовывают реакционно-активную топливную смесь и эту смесь вводят в воздушный поток при отношении скорости горючей газовой смеси к скорости воздуха (W) 1,2-3.

В газораспределительных трубах горелочной системы ускорение нагрева газа, интенсификация турбулизации газовых потоков и перемешивания производилось за счет направления газов в трубопроводы переменного сечения. Нагрев газораспределительных труб производился горячими продуктами сгорания, нагретым воздухом или применялся электронагрев. Реакционно-активная смесь вводилась в воздушный поток многоструйно. Газовые горелки располагались в нижней части газовой вагранки над подиной. Плавка шихты происходила на водоохлаждаемых, покрывающихся теплоизоляционным слоем колосниках, размещенных в шахте выше горелочных туннелей. На подине ниже горелочных туннелей образовывался бассейн, где высокотемпературными факелами перегревался расплавленный материал.

Короткие высокотемпературные факела омывают расплав в бассейне, перегревают материал до требуемой температуры для получения необходимой жидкотекучести расплава, а далее поступают в зону плавления шихты, где плавят материал, затем поднимаются вверх, нагревая загруженную твердую шихту. Поскольку предложенный способ позволяет достигать в нижней части шахты над бассейном температуры 1700-1850°С, то плавятся материалы с температурой выше 1680°С.

При температуре нагрева углеводородов природного газа до 300-325°С мало образуется водорода и мелкодисперсного углерода, эффективность в повышении температуры продуктов сгорания, уменьшении длины факела, повышении температуры в вагранке не достигается. Но начиная с температуры нагрева углеводородов 325°С и выше (до 550°С) разлагается от 3 до 28% углеводородов, что приводит к резкому ускорению процессов горения, повышению теплового напряжения и температуры в факеле и в вагранке. При температуре нагрева углеводородов выше 550°С разлагается больше 28% углеводородов и активный атомарный водород соединяется, образовывая молекулу, а углерод, образующийся при разложении углеводородов из молекул и скоплений молекул, создает крупные частицы сажистого углерода, которые осаждаются на стенках нагреваемых газораспределительных труб, снижают теплопередачу, уменьшают сечения выходных для газа каналов, а это приводит к резкому ухудшению процессов горения и даже к прекращению горения, когда скопления частиц сажистого углерода полностью перекрывают выходные для газа каналы. Образующиеся при температуре нагрева углеводородов выше 550°С молекулы водорода не способствуют активизации процессов горения, так как при горении они должны разлагаться и образовывать атомарный водород, на что дополнительно расходуется теплота, в связи с чем снижается температура в факеле. При Т в пределах 325-550°С и G 3-28% образуются преимущественно атомарный водород и молекулярный или в виде скоплений молекул углерод, которые при перемешивании с неразложенными горячими углеводородами топлива образовывают реакционно-активную топливную смесь. Ввод этой смеси в воздушный поток при отношении скорости горючей газовой смеси к скорости воздуха W 1,2-3 достигается эффективное, на коротком пути перемешивание горючего газа с воздухом-окислителем, что приводит к короткофакельному горению газовоздушной смеси. При W<1,2 струи газа не глубоко проникают в воздушный поток, эффективность не достигается, а при W>3 наблюдается неравномерное перемешивание газа с воздухом, факел удлиняется. Рационально выдерживать W в пределах 1,2-3.

При применении предложенного способа в горелку можно подавать холодный воздух или горячий. При подаче холодного воздуха-окислителя нагрев газа производят продуктами сгорания дополнительной горелки-запальника, размещенной вблизи от газораспределительных труб основной горелки. Подача в горелку горячего воздуха с температурой 600-700°С позволяет обогревать стенки газораспределительных труб за счет частичного отбора тепла от воздуха, обтекающего газораспределительные трубы. Газораспределительные трубы можно обогревать, размещая вблизи от их стенок электронагреватели.

Сочетание новых признаков с известными позволяет достигать высоких температур в печи, плавить и перегревать тугоплавкие материалы (неметаллические материалы при получении из расплава каменного литья, шлаковаты).

Пример.

В вагранке, имеющей водоохлаждаемые трубы в шахте и газовую горелку над подиной ниже водоохлаждаемых труб, сжигали углеводороды в воздушном потоке. Углеводороды - природный газ, содержащий более 95% метана, до входа в воздушный поток, нагревали в газораспределительных трубах горелки от 300 до 570°С. Воздух-окислитель подавали в горелку или холодный (при 20°С) или горячий с температурой до 670°С. При подаче холодного воздуха в горелку газораспределительные трубы обогревали продуктами сгорания отъемной малой горелки-запальника, а при вводе в горелку горячего воздуха выдерживали такую температуру воздуха, чтобы достигалась требуемая температура газа в газораспределительных трубах. Температуры газа и воздуха замерялись термопарами, вмонтированными в элементы газораспределения и подачи воздуха горелочной системы. Исходя из расходов газа и воздуха площади выходных сечений газовыпускных каналов и выходного сечения горелки определялись скорости воздушных потоков и газовых струй, внедряющихся в воздушные потоки. Эти скорости пересчитывались на нормальные условия. Расход углеводородов - природного газа был 100 м³/ч при нормальных условиях. Расход воздуха (Q) был максимальным 1000 м ³/ч в расчете на нормальные условия, причем он изменялся с 1000 м³/ч при температуре воздуха-окислителя Т₃=20°С до 805 м³ /ч при Т₃=670°С в соответствии с зависимостью Q=1006-0,3·Т₃, что позволяло уменьшить потери тепла в связи с диссоциацией продуктов сгорания при их высоких температурах и достигать максимально возможных температур T₁ и Т₂ при принятых условиях экспериментов. Количество разложившихся углеродов на водород и углерод определялось по температуре газа в газораспределительной трубе исходя из зависимости, что метан начинает разлагаться при 300°С и полностью разлагается на водород и углерод при температуре 1200°С.

После розжига горелки в течение 1 часа производили прогрев шахты вагранки продуктами сгорания, после чего, регулируя расходы воздуха и газа, выводили вагранку на рабочий режим.

На водоохлаждаемые трубы загружали шихту и начинали плавку загруженного материала. Плавили куски шамотных огнеупоров и куски ваграночного шлака, температура плавления которых была 1650-1730°С. Для снижения огнеупорности этих материалов и повышения жидкотекучести расплава в шихту добавляли 1-5% известняка от массы загружаемой шихты. Материалами шихты (бой шамотного кирпича и куски шлака) были отходы, образующиеся при работе и ремонтах производственных вагранок. Плавящаяся шихта изолировала расплавом водоолаждаемые трубы вагранки и по образующейся неметаллической корке, расплав стекал на подину вагранки, где создавался неглубокий бассейн в связи с приподнятой над подиной переходной (выпускной) леткой. Глубина бассейна была 30-50 мм. Расплав в бассейне омывался выходящими из горелки горячими газами, перегревался и выходил из вагранки в заливочное устройство. Полученным неметаллическим материалом заливали плиты, предназначенные для дачных дорожек. Эти плиты имели высокие показатели твердости, прочности, износостойкости. При работе горелки и вагранки производился замер термопарами температур в факеле (T₁) и над бассейном с жидким расплавом (Т₂). В таблице приведены результаты испытаний.

Таблица
Варианты испытания предложенного способа	Т, °С	G, %	W	Т1, °С	Т2, °С
При горячем газе и холодном воздухе	325	3	1,2	1700	1680
			2	1720	1710
			3	1710	1700
	450	15	1,2	1750	1730
			2	1760	1750
			3	1740	1720
	550	28	1,2	1770	1750
			2	1780	1760
			3	1760	1750
При горячем газе и горячем воздухе	325	3	1,2	1730	1720
			2	1750	1730
			3	1740	1730
	450	15	1,2	1780	1770
			2	1800	1780
			3	1770	1760
	550	28	1,2	1790	1750
			2	1860	1850
			3	1800	1780

Исследования показали, что при 325 Т 550°С, когда 3 G 28%, достигаются высокие температуры в факеле T ₁=1700-1860°С и в вагранке над бассейном с жидким расплавом Т₂=1680-1850°С в пределах изменения 1,2 W 3. Следовательно, изменение факторов Т, G, W в указанных пределах позволяет достигать оптимальных результатов по температурам Т₁ и Т₂. Это связано с тем, что уменьшается длина горящего факела и повышается тепловое напряжение в его объеме. Достигается положительный эффект как при горячем газе и холодном воздухе, так и при горячем газе и горячем воздухе. При Т<325°С, в частности при Т=300°С, не происходит разложение углеводородов природного газа и Т ₁, Т₂ были ниже 1600°С. При Т>550°С (при Т=570°С) образовывались скопления сажистых (углеродных) частиц, которые перекрывали газовыпускные каналы, в связи с чем процесс горения нарушался. При W<1,2 (W=1,1) газ неглубоко проникал в воздушный поток, не происходило на коротком пути перемешивание газа с воздухом, в связи с чем факел резко удлинялся, температура в нем снижалась, а при W>3 (W=3,2) струи газа проскакивали через воздушный поток, происходило неравномерное распределение газа в воздухе, в связи с чем также удлинялся факел и снижалась температура в нем.

Следовательно, предлагаемый способ обеспечивает технический эффект и может быть осуществлен с помощью известных в технике средств.

Предлагаемый способ может быть использован при плавке чугуна и высокоуглеродистой стали (полупродукта) в газовой вагранке, а также может быть применен в высокотемпературных нагревательных подовых печах металлургической и стекольной промышленности.