Комбинированная многотопливная горелка

 

Изобретение относится к металлургии, конкретно - к конструкциям горелочных устройств , предназначено для совместного или раздельного сжигания жидкого или газообразного топлива с воздухом, обогащенным кислородом, в пламенных плавильных печах, например мартеновских, и позволяет повысить производительность печей путем интенсификации теплообмена от факела. Горелка содержит водоохлаждаемый корпус 1, расположенные в нем трубы для подачи кислорода 2 с соплом 5 и газообразного топлива 3 с соплом 6, а также мазутная труба с форсункой, Горелка содержит дополнительную мазутную трубу. Трубы с соплами и форсунками жестко закреплены в выходной головке 9 и находятся в одной плоскости Оси сопл мазутных форсунок расположены в одной горизонтальной плоскости с осью газового сопла и под углом к ней 4 . 5° и равноудалены от оси газового сопла на расстоянии 2...3 его калибра. Оси газового сопла 6 и кислородного 5 расположены в вертикальной плоскости под углом 4 ..5° одна к другой, а выход газового сопла 6 выше выхода кислородного сопла 5 на расстояние 2...3 калибра газового сопла 6. Угол наклона оси газового сопла по отношению к поверх (Л

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (L I) (я)5 F 23 О 14/20 17/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

4 - - тюте 11ã... Ф

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4746638/06 (22) 06.10.89 (46) 30,08.92. Бюл. М 32 (71) Институт газа AH УССР, Макеевский металлургический комбинат и Киевский политехнический институт (72) П,С,Рудой, В.И.Шевченко, Н.М.Виноградов, А,Д.Вобликов, Д.Ф.Канищев, В.Н.Нетреба, Н.И.Баскин, А.П.Глике, А.П,Рудой и B,С.Пикашов (56) Шкляр М.С. и др. Сжигание высококалорийных газов в мартеновских печах.- М.: Металлургия, 1970. с, 125-138, Глике А.П. и др. Металлургическая и горнорудная промышленность.- Сборник статей, 1980, M 4, с. 20.

Авторское свидетельство СССР

М 1224506, кл, F 23 0 17/00, 1985, (54) КОМБИНИРОВАННАЯ МНОГОТОПЛИВНАЯ ГОРЕЛКА (57) Изобретение относится к металлургии, конкретно — к конструкциям горелочных устройств, предназначено для совместного или раздельного сжигания жидкого или raзообразного топлива с воздухом, обогащенным кислородом, в пламенных плавильных печах, например мартеновских, и позволяет повысить производительность печей путем интенсификации теплообмена от факела.

Горелка содержит водоохлаждаемый корпус 1, расположенные в нем трубы для подачи кислорода 2 с соплом 5 и газообразного топлива 3 с соплом 6, а также мазутная труба с форсункой, Горелка содержит дополнительную мазутную трубу. Трубы с соплами и форсунками жестко закреплены в выходной головке 9 и находятся в одной плоскости, Оси сопл мазутных форсунок расположены в одной горизонтальной плоскости с осью / газового сопла и под углом к ней 4.„5 и равноудалены от оси газового сопла на расстоянии 2...3 его калибра, Оси газового сопла 6 и кислородного 5 расположены в вертикальной плоскости под углом 4...5 одна к другой, а выход газового сопла 6 выше выхода кислородного сопла 5 на расстояние

2...3 калибра газового сопла 6. Угол наклона оси газового сопла по отношению к поверх1758340

20

40

50 ности ванны 13...15 . Благодаря такому взаимному расположению сопл и по отношению к поверхности ванны при работе горелки создается настильный факел с оптимальным распределением температур

Изобретение относится к области металлургии, конкретнее к конструкциям горелочных устройств, применяемых для совместного или раздельного сжигания жидкого и газообразного топлива с окислителем в пламенных плавильных печах, на пример, мартеновскйх.

Наиболее интенсивный теплообмен между факелом и поверхностью ванны в мартеновских печах достигается при как можно более полной реализации режима прямого направленного теплообмена. Этот режим характеризуется максимальным тепловыделением при горении топлива у поверхности нагрева и настильностью факела.

Кроме того, для достижения максимальной эффективности теплообмена существенное значение имеет оптимальное распределение температур и излучательных характеристик (vîýôôèöèåíòà ослабления луча и степени черноты) по объему пламенного пространства. а также тепловыделений и падающих тепловых потоков по поверхности ванны, Поэтому необходимо подать и направить в печь струи топлива (газа и мазута), воздуха и кислорода таким образом, чтобы создать условия горения (начало воспламенения, скорость горения по длине факела и объему и т.д.), обеспечивающие оптимальное распределение указанных параметров факела и как следствие максимальный теплообмен. Это достигается конструкцией горелки и расположением ее на мартеновской печи.

Эффективным способом отопления пламенных печей является гаэомаэутный, при котором используется смесь, состоящая из природного газа и распыленного мазута. Газомазутный способ, отопления мартеновских печей имеет большое число вариантов, отличающихся соотношением газообразного и жидкого топлив. видом и количеством распылителя, конструкциями горелочных устройств и конкретными условиями. Существует много вариантов конструкций газомазутных горелочных устройств,позволяющих получить газомазутный факел с высокой кинетической энергией пламени, Известна комбинированная топливнокислородная горелка. помещенная в водои радиационных характеристик по высоте и поверхности ванны, позволяющий наилуч.шим образом реализовать режим прямого направленного теплообмена и максимально повысить производительность печи. 3 ил, охлаждаемый кожух. Основная часть газа подается в печь через центральное водоохлаждаемое сопло, По периферии по кольцевым каналам поступает окислитель и дополнительный газ (до 20%). Разделительный экран между кольцевыми каналами заканчивается шайбой, два ряда вырезов на кромках которой вместе с плотно прилегающими стенками внутреннего и наружного холодильников образуют продольные сопла. По оси горелки установлена мазутная форсунка, а в кожухе испарительного охлаждения две фурмы для подачи в факел острого дутья (кислорода или компрессорного воздуха).

Горелки позволяли создать в печи при сжигании высококалорийного газа с мазутом устойчивый сплошной кольцевой высокотемпературный светящийся факел, обеспечивали нормальную работу мартеновских печей при изменении в широких пределах соотношения природный газ — мазут и снижали удельные расходы топлива и кислорода.

Однако увеличение кинетической энергии факела приводило к некоторым отрицательным последствиям, а именно к уменьшению интенсивности теплопередачи излучением от факела к металлу при незначительном увеличении производительности печи. Известна также комбинированная горелка, содержащая корпус, коаксиально размещенные в нем центральную и периферийную трубы для подачи соответственно первичного и вторичного воздуха, кольцевой газовый коллектор, размещенный в канале между трубами и снабженный соплами, мазутную форсунку и дополнительную трубу для подачи йыли высокой концентрации, введенную в центральную трубу, и запальную форсунку, причем обе форсунки размещены в канале между трубами в одной горизонтальной плоскости. Сопла газового коллектора размещены в его нижней части под углом 30 к вертикали, на внутренней боковой стенке периферийной трубы выполнены вентиляционные окна, а сопла газового коллектора и мазутная форсунка установлены с воэможностью продольного перемещения, 1758340

10

20

Однако, несмотря на повышение качества сжигания топлива и эксплуатационной надежности известная комбинированная горелка не позволяет получить эффективный газомаэутный факел с высокой кинетической энергией и излучатель ной способностью на все периоды плавки, а уменьшение теплоотдачи от факела к ванне приведет к снижению и роиэводительности печи.

Цель изобретения — повышение производительности печей путем интенсификации теппообмена от факела.

Поставленная цель достигается тем, что комбинированная многотопливная горелка, содержащая корпус, в котором размещены труба для подачи мазута с форсункой, труба с соплом для подачи газообразного торлива и труба для подачи окислителя, выходные участки которых объединены в общую головку, содержит дополнительную трубу для подачи мазута, обе эти трубы снабжены соплами и расположены по разные стороны трубы для подачи газообразного топлива, причем оси их сопл расположены в одной горизонтальной плоскости, оси мазутных сопл наклонены к оси газового сопла под углом 4 — 5 и равноудалены от него в плоскости торцового среза нэ 2.0 — 3,0 калибра этого газового сопла, а труба для подачи окислителя также снабжена выходйыми соплами и подключена к источнику кислорода, при этом кислородное.сопло расположено под газовым соплом в одной с ним вертикальной плоскости, наклонено к оси газового сопла под углом 4 — 5 и удалено от него по торцу на 2,0 — 3,0 калибра этого газового сопла.

На фиг, 1 изображена горелка, вертикальный разрез; на фиг, 2 — сечение А-А на фиг. 1; на фиг. 3 — вид В на фиг. 1.

Горелка содержит водоохлаждаемый корпус 1, выполненный в виде удлиненного усеченного конуса (фиг, 1). Корпус расположен в верхнем строении регенератора, причем меньшее основание конуса — внутри печи, а большее снаружи. Внутри корпуса установлены трубы для подачи окислителя

2, газообразного топлива 3 и мазута 4. Одной стороной трубы подключены к соответствующим магистралям, с другой стороны кислородная и газовая трубы имеют сопла 5 и 6, а мазутная — распылительную форсунку

7. Горелка содержит дополнительную мазутную трубу с форсункой 8. Все выходные отверстия сопл и форсунок ориентированы в плоскости основания корпуса. Оси сопл мазутных форсунок 7 и 8 расположены в одной горизонтальной плоскости с осью газового сопла 6 и под углом 4 — 5О (фиг, 2) и равноудалены от оси газового сопла 6 на расстояние 2,0 — 3,0 его калибра (фиг. 3). Оси газового 6 и кислородного 5 сопл расположены в вертикальной плоскости под углом

4,0 — 5,0 одна к другой (фиг, 1). а выход газового сопла 6 выше выход" кйслородного сопла 5 на расстоянии 2,0 — 3,0 калибра газового сопла 6, Горелка работает следующ м образом.

Высокоскоростные продукты разложения природного газа, полученные в камере

10 и нагретые до 250 — 300 С, по трубе 3 через сопла 6 поступают в рабочее пространство мартеновской печи. Мазут подают по форсункам через сопла 7 и 8 на выход. Подачу кислорода в рабочий объем печи осуществляют через трубу 2 и сопло 5, расположенное под газовыми 6 и мазутными соплами 7 и 8. Расходы подаваемых на сжигание газообразного и жидкого топлив, а также кислорода изменяют в зависимости от периодов плавки, Приводим обоснования геометрических соотношений предлагаемой горелки и положительного эффекта от ее применения по сравнению с известными конструкциями, подтвержденные экспериментами непосоедственно на мартеновской печи.

Как известно, геометрические параметры и их соотношения для мартеновских печей, верхнего строения регенераторов и элементов горелки для подачи и направления потока воздуха и потоков одного вида топлива выбраны оптимальными в течение длительной эксплуатации и совершенствования печей на протяжении многих лет, Конструкция мартеновской печи и оптимальные соотношения являются общепринятыми и типовыми.

Однако в случае совместного сжигания двух видов топлива (газа и мазута), а также при обогащении воздуха кислородом нет конструктивного оптимального решения элементов горелки (фурмы) для подачи топлива и кислорода. Особенная сложность возникает при подаче природного г;за с предварительным крекингом в камере разложения.

В отношении условий обогащения воздуха кислородом известно, что наибольший эффект с точки зрения интенсивности теплообмена достигают при подаче кислорода под топливную струе. Нами также использован этот способ.

В фурме заявляемого горелочного устройства принято расположение сопл для подачи видов топлива, исходя из следующих условий. Цзнтрзльным является сопло для подачи природното газа, предварительно крекингированного в камере разложения

1758340 совместно с кислородом, согласно известному способу. А мазутные струи располагаются симметрично с двух сторон от газовой струи.

Угол наклона оси газовой струи, а следовательно, и газового сопла по отношению к поверхности ванны принят таким, как и у всех мартеновских печей, P = 13 — 15О. Кроме того, мазут более медленно воспламеняется и горение его.более продолжительное, чем у природного газа. Поэтому дробление одной мазутной струи на две и расположение их с двух сторон от газовой струи ускоряет смешение мазута с горячим воздухом, его воспламенение и процесс горения. При этом струи газа и распыленного мазута должны вначале воспламениться и пройти начальную стадию горения. Для этого они должны хотя бы частично смешаться с воздухом, а затем частично смешаться между собой на ohðåäåëåííîì расстоянии от выхода иэ сопл и над поверхностью ванны.

Струи необходимо направить в сторону газового потока, поскольку при направлении струй мазута в противоположную сторону ухудшится в целом настильность факела, перегреются боковые стены и снизится срОк их службы, Струя кислорода для улучшения смешения с топливом и ускорения воспламенения должна быть направлена под углом вверх в точку встречи струй топлива.

Расположение осей сопл мазутных форсунок в одной горизонтальной плоскости с осью газового сопла под углом 9 — 10 друг к другу и с равным удалением от оси газового сопла на расстояние 2,0 — 3,0 его калибра позволяет не только улучшить распыливание. подготовку и реформирование мазутных потоков до встречи их с осью газового потока, но и придать требуемую направленность и настильность факелу, а в дальнейшем движении получить хорошую аэродинамику всех потоков и высокую излучательную способность факела во все периоды плавки, Расположейие осей газового и кислородного сопл в вертикальной плоскости под углом 4 — 5 друг другу, причем кислородного ниже газового на расстоянии 2,0 — 3,0 его калибра, позволит исключить влияние окислителя на начальном участке движения потоков, тем самым. более полно- завершить процессы разложения в газовом и мазутном потоках.

Ввиду большой сложности происходящих в пламенном пространстве печи теплои массообменных-процессов и невозможности их аналитического описания и расчета геометрических параметров горелки. выбор

Оптимальных соотношений расположения

10

20 сопл в форме по отношению друг к другу проводили экспериментальным путем на действующей мартеновской печи.

В экспериментах изменяли угол наклона сопл мазутных и кислородного а и относительное расстояние этих сопл dt./L (где

dr — калибр газового сопла, L — расстояние между центрами выходных сечений газового сопла и мазутного или кислородного).

Об эффективности положения сопл судили по падающим на поверхность ванны суммарным (лучистым плюс конвективным) тепловым потокам, определяемым термозондом конструкции ВНИИМТ, Термозонд вводили через отверстия в боковой стене печи (всего 7 отверстий), В каждом отверстии производили по три измерения — в центре (по оси) печи и на расстоянии 1,5 м с обеих сторон от центра.

Приемник теплового потока располагали на высоте 40 — 60 мм над поверхностью ванны.

Поскольку в период завалки поверхность ванны неровная, измерения начинали после расплавления шихты. Все сравнительные

25 опыты проведены при постоянных расходах газа, мазута, кислорода, давлении в печи, загрузке и остальных параметрах, Известно, что после перекидки пламени воздух,„выходящий из регенератора, имеет

30 наибольшую температуру порядка 1200 С, затем к концу периода работы данной стороны печи температура подогрева воздуха постепенйо падает на 100О, Естественно уменьшается и падающий на ванну тепло35 вой поток. Поэтому для правильной и идентичной оценки того или иного положения сопл горелки измерения начинали в одно и то же время через три минуты после перекидки, и интервал времени между измере40 ниями сохраняли строго постоянным — три минуты, Из них две минуты длилось измерение и одна минута уходила на перестановку приемника термозонда.

В начале производили измерения вдоль

45 потока факела за три перекидки, В течение первой и второй детали по 6 измерений по

3 минуты и третьей — 9 измерений по 3 минуты. Затем это же повторяли в противоположном направлении факела. Всего при

50 каждом положении сопл фурмы получалось по 21 точке, где проведено по два измерения, Затем вычисляли среднее из 42 измерений.

В табл, 1 приведены средние значения

55 плотности падающих на ванну от факела тепловых потбков, усредненных по поверх ности, Как видно, максимальная плотность тепловых потоков от факела ранна 1,481—

1,489 МВт/м, получена при значениях угла

1758340

Таблица 1

Плотность падающего на ванну от факела теплового потока. усредненного по поверхности, q, МВт/м

Оптимальные значения параметров

1 Примечание. наклона сопел а = 4 — 5 и относительном расстоянии сопл dr/L = 2,0 — 3,0, которые можно считать оптимальными. При значениях Q и drlL, выходящих за эти пределы, плотность падающих тепловых потоков заметно уменьшается, Затем были изготовлены и установлены на мартеновской печи рабочий горелки с заявляемыми оптимальными параметрами и проведено сравнение их работы с известными,которыми печь была оснащена ра нее.

Сравнение проведено по плотности усредненных по поверхности ванны падающих тепловых потоков и по удельным съемам ванны (см, табл. 2), Как.следует, эффектйвность заявляемого .устройства на

11,9 Д выше известного по падающему тепловому по",оку и на 2,87, бол ше по удельной производительности печи.

Исходя из представленных показателей проведен расчет зкономической эффективности внедрения водоохлаждаемой газомазутно-кислородной горелки в соответствии с "Методикой определения экономической эффективности использования в народном хозяйстве новой техники, изобретений и рацпредложений", утвержденной ГКНТ

СССР, Госпланом СССР, АН УССР и Госкомизобретений от 14.02.77 г.

Расчет экономического эффекта от внедрения водоохлаждаемой газомазутно-кислородной горелки в мартеновском цехе

Макеевского металлургического комбината.

1. Исходные данные для расчета годового экономического эффекта, И. Результаты расчета

Э = А (С1-C2) = 84000 (92,15-8833) =.

84000 3,82 = 320880 руб.

Годовой экономический эффект от внед5 рения водоохлаждаемой газомазутной горелки составит 320880 руб, Формула изобретения

10 Комбинированная многотопливная горелка, содержащая корпус, в котором размещены труба для подачи мазута с форсун кой, труба с соплом для подачи газообразного топлива и труба для подачи окислите15 ля, выходные участки которых объединены в общую головку, отличающаяся тем, что, с целью повышения производительности печей путем интенсификации теплообмена от факела, горелка содержит

20 дополнительную трубу для подачи мазута. обе эти трубы снабжены соплами и расположены по разные стороны трубы для подачи газообразного топлива, причем оси их сопл расположены в одной горизонтальной пло25 скости, оси мазутных сопл наклонены к оси газового сопла под углом 4 — 5 и равноудалены от него в плоскости торцового среза на

2,0 — 3,0 калибра этото газового сопла, а труба для подачи окислителя также снабже30 на выходным соплом и подключена к источнику кислорода, при этом последнее расположено под газовым соплом в одной с ним вертикальной плоскости, наклонено к оси газового сопла под углом 4 — 5 и удале35 но от него по торцу на 2...3 калибра этого газового сопла.

1758340

Таблица 2

Сравнение эффективности заявляемого устройства и известного о

Таблица 3

Значение показателей

Наименование исходных данных

Условн, обоз нач.

ММ пlп

Единицы измерения

До внедрения После внед ения

Производство стали (8 печей элек. 500 т) Вес плавки

Производительность печи

Удельный расход условного топлива

Доля мазута

Удельный расход кислорода: в факел в.ванну на процесс

Продолжительность плавки

Затраты на одну тонну стали

3084,0

481,54

3000,0

481,52 тыс.т. . т

47,4

46,1 т/ч кг/т

$ по теплу

120,8

22,5

116,3

18,4

13,51

20,73

34,24 м /т

13,53

20,74

i34,27

10,33

10,16

88,33

92,15 б/т

П р и м е ч а н и е, q — плотность падающего на ванну от факела теплового потока, усредненного по поверхности;

 — производительность печи, т/ч, 1

-1758340

Вид

Составитель А. Глике

Техред M.Моргентал

Редактор И. Касарда

Корректор А. Мотыль

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина. 101

Заказ 2985 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5