Горелочное устройство

 

Использование: при выплавке стали в мартеновских и двухванных печах, а также в конверторах Сущность изобретения: устройство содержит головку , трубы для подачи кислорода, топлива, подвода и отвода охлаждающей воды. Головка имеет кольцевой ряд кислородных сопл и охватывающий его кольцевой ряд топливных сопя Оси кислородных сопл наклонены под углом 20-55° к продольной оси головки, а угол между поверхностями вращения геометрических осей сопл для кислорода и топлива составляет 13-40°. Кислородные сопла выполнены ступенчатыми, каждое с площадью выходного сечения, превышающей в 3 - 4 раза площадь входного сечения, а плоскость, проходящая через его продольную ось и продольную ось головки , расположена между плоскостями, проходящими через продольные оси близлежащих топливных сопл и ось головки. По оси головки выполнено центральное кислородное сопло с площадью входного сечениа равной 0.4 - 0,8 суммарной площади входных сечений кислородных сопл в кольцевом ряду. В дымовых газах уменьшается содержание окислов азота и снижается уровень шума при работе устройства. 2 ид

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ

Комитет Российской Федерации по иатентам и товарным знакам (21) 4926069/06 (22) 08.0491 (46) 30.11.93 Бюп Йа 43-44 (71) Научно-исследовательский институт металлургии (72) Киселев АД; Тулуевский Ю.Н„Чирихин ВФ.;

Липухин K).В.; Васильев Л.М; Маменко Ю.Ф„Решетин AA (73) Научна-исследовательский институт металлургии (54) ГОРЕЛОЧНОЕ УСТРОЙСТВО (57) Исйользование: при выплавке стали в мартеновских и двухванных печах, а также в конверторах.

Сущность изобретения: устройство содержит головку; трубы для подачи кислорода, топлива, подвода и отвода охлаждающей воды Головка имеет кольцевой.ряд кислородных сопл и охватывающий его кольцевой ряд топливных сопп. Оси кислород(В) RÖ (1Ц 2ОО3926 CI (51) 5 F 23 9 14 38 ных сопл наклонены под углом 20 — 55 к продольной оси головки, а угол между поверхностями вращения геометрических осей сопл для кислорода и топлива составляет 13 -40 . Кислородные сопла выполнены ступенчатыьщ каждое с площадью выходного сечения, превышающей в 3 — 4 раза площадь входного сечения, а плоскость, проходящая через его продольную ось и продольную ось головки, расположена между плоскостями, проходящими через продольные оси близлежащих топливных сопп и ой головки: По оси головки выполнено центральное кислородное сопло с площадью входного сечения, равной 0,4 — 0,8 суммарной площади входных сечений кислородных сопл в кольцевом ряду. В дымовых газах уменьшается содержание окислов азота и снижается уровень шума при работе устройства. 2 ип.

2003926

Изобретение относится к горелочным устройствам для нагрева шихты в сталеплавильных печах и конверторах и относится к черной металлургии, Известна горелка сталеплавильной печи, содержащая корпус с поярусно расположенными соплами для топлива и окислителя, в которой над топливным соплом размещено дополнительное сопла для окислителя, а. ось топливного сопла располо>кена от осей сопл окислителя на расстоянии, равном 3-5 диаметра топливного сопла, и оси рядом расположенных сопл размещены одна наддругой под углом 2-12

М

Недостатком известной конструкции горелки являются повышенный уровень шума при ее работе и низкая эффективность нагрева шихты. Объясняется это плохим смешением топлива и окислителя вследствие больших расстояний между осями сопл для топлива и кислорода и малых углов их встречи. Плохое смешение топлива и окислителя приводит к увеличению длины факела и, следовательно, к уменьшению его скорости и температуры, что снижает эффективность нагрева шихты. Подача топлива и кислорода в известной горелке под малыми углами к поверхности шихты приводит к тому, что длина факела горелки до места встречи его с поверхностью шихты достигает 10-15 м и имеет в месте встречи с шихтой низкую скорость и. следовательно, небольшой коэффициент теплоотдачи конвекцией, что также приводит к значительному снижению эффективности нагрева шихты. Кроме того, при плохом смешении топлива и окислителя наблюдается отрыв факела, сопровождающийся повышением уровня шума. К тому же, плохое смешение топлива и кислорода приводит к повышенному содержанию окислов азота в дымовых газах, так как часть кислорода, подаваемого в горелку, идет на окисление азота воздуха. подсасываемого в факел из рабочего пространства сталеплавильного агрегата.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является горелочное устройство, содержащее водоохлаждаемую

ГолОвку с кольцевым рядом кислородных

СОПЛ, НЭКЛОНЕННЪ|Х К ПРОДОЛЬНой ОСИ ГОЛОвки под углом 20-55, и охватывающим его кольцевым рядом топливных сопл. Каждое второе в ряду топливное сопло выполнено ступенчатым с увеличивающимся к выходному срезу. диаметром и с площадью выходного сечения, превышающей в 3-4 раза площадь его входного сечения, причем продольная ась каждого ступенчатого топливного сопла размещена B одной плоскости с продольными осями головки и близлежащего кислородного сопла и наклонена к оси последнего под углом 25-40О, а остальные топливные сопла наклонены к продольной

5 оси головки под углом 7-20 (т. е. угол встречи между поверхностями вращения геометрических осей топливных и кислородных сопл составляет 13-40 ) (2), Недостатком известной конструкции является высокая концентрация окислов азота в дымовых газах и повышенный уровень шума при работе горелочного устройства, Объясняется это следующим. Подача кислорода только через кольцевой ряд сопл

15 приводит к тому, что на начальном участке факела (на расстоянии от корня факела до участка полного смешения топлива с кислородом) кислород, не успевший вступить в реакцию окисления топлива, частично идет

HB окисление азота воздуха в высокотемпературной зоне факела, подсасываемого в факел из рабочего пространства агрегата.

Это приводит к повышенному образованию окислов азота при сжигании топлива. что

25 увеличивает токсичность дымовых газов и загрязнение окружающей среды.

Выполнение же в известной конструкции осей газовых сопл переменного сечения и кислородных сопл в одной плоскости с

30 осью, головки приводит к соударению струй газа и кислорода, что вызывает появление зон завихрения, которые увеличивают уровень шума при сжигании топлива, Таким образом, ухудшаются условия труда обслу35 живающего персонала. Кроме того. Повышенный уровень шума при работе горелок не позволяет использовать их с максимальной тепловой мощностью, т. е, с максимальной тепловой эффективностью, поскольку

40 при снижении тепловой нагрузки уменьшаются скорости истечения газа и кислорода и коэффициент теплопередачи конвекцией от факела к шихте, Такое снижение приводит к уменьшению эффективности и степени нагреВа шихты, что требует снижения доли лома в шихте и увеличения расхода чугуна на выплавку стали.

Целью изобретения является снижение окислов азота в дымовых газах и уровня шума при работе устройства.

Цель достигается тем. что в гОрЕлОчНОм устройстве, содержащем водоохлэждаемую головку с кольцевым рядом кислородных сопл, наклоненных к продольной оси голо55 вки под углом 20-55О и охватывающим его кольцевым .рядом топливных сопл с углом между поверхностями вращения геометрических осей топливных и кислородных сопл

13-40О, с выполнением ступенчатых сопл с площадью выходного сечения каждого со2003926

25

55 пла, превышающей в 3-4 раза площадь etn входного сечения, головка выполнена с центральным кислородным соплом с площадью входного сечения, равной 0,4-0,8 суммарной площади входных сечений кислородных сопл в кольцевом ряду, при этом каждое кислородное сопла в кольцевом ряду выполнено ступенчатым и плоскость, проходящая через его продольную ось и продольную ось головки, расположена между плоскостями, проходящими через продольные оси близлежащих топливных сопл и ось головки.

Конструкция горелочного устройства показана на фиг. 1(продольный разрез горелочного устройства) и фиг. 2 — вид Б на ф .1.

Устройство содержит головку 1, трубы

2-5, образующие тракты для подачи кислорода, топлива, подвода и отвода охла>кдающей воды. Головка 1 имеет кольцевой ряд кислородных сопл 6 и охватывающий его кольцевой ряд топливных сопл 7. Оси кислородных сопл 6 наклонены под углом

re= 20-55 к продольной оси головки, а угол между поверхностями вращения геометрических осей сопл для кислорода 6 и топлива

7 составляет P = t3-40 . Кислородное сопло 6 выполнено ступенчатым с площадью выходного сечения, превышающей в 3-4 раза площадь входного сечения, а плоскость, проходящая через его продольную ось и продольную ась головки. расположена между плоскостями, проходящими через продольные оси близлежащих топливных сопл

7 и ось головки 1. По оси головки выполнено центральное кислородное сопло 8 с площадью входного сечения F>, равной 0,4 — 0,8 суммарной площади входных сечений Fz кислородных сопл 6 в кольцевом ряду (— = 0,4 — 0,8).

F2

Устройство работает следующил образом.

Во время завалки и нагрева шихты через отверстие в своде устройство заводится в рабочее пространство, например, двухванной печи и устанавливается на расстояние 1,5-2,0 м от поверхности шихты. Из цеховой магистрали в устройство подают природный газ и кислород в стехиометрическом соотношении, например, газ в количестве 1500 м /ч и кислород в количестве 3000 м /ч. Наличие центрального сопла и кольцез вого ряда сопл для кислорода с соотношением площадей их входных сечений 0,4 — 0,8, а также выполнение кислородных сопл с переменным поперечныл сечением и предлагаемое расположение осей кислородных сопл в кольцевом ряду отногительно осей топливных сопл обеспечивают двухступенчатое сжигание топлива с минимальным количеством образующихся при горении окислов азота. При этом горение топлива осуществляется без отрывов факела, что стабилизирует горение и снижает уровень шума. Горелки работают с максимальной тепловой мощностью, а, следовательно, с максимальными скоростями факела и максимальнымими коэффициентами теплоотдачи конвекцией от факела к шихте. Это позволяет эффективно нагревать шихту при более низком уровне шума при работе устройства. по сравнению с прототипом, и более низкой концентрации окислов азота в дымовых rазах. После окончания í "ãðåâà шихты прекращают подачу природного газа и кислорода и выводят устройство из рабочего пространства двухванной печи. В случае необходимости нагрева жидкой ванны устройство включают и в периоды плавления и доводки.

Выполнение головки горелочного устройства с центральным кислородным соплом с площадью входного сечения, равной

0,4 — 0.8 суммарной площади входных сечений кислородных сопл в кольцевом ряду, обеспечивает подачу кислорода на две зоны. За счет этого осуществляется двухступенчатое сжигание топлива. На первой ступени происходит частичное сжигание топлива за с .ет кислорода, поступающего из кольцевого ряда сопл. На этой ступени сжигание топлива осугцествляется с недостатком кислорода. что по сравнению с прототипом резко уменьшает образование окислов азота. При этом подача кислорода через ступенчатые сопла приводит к уменьшению в 3-4 раза скорости кислорода, а расположение осей сопл для кислорода в кольцевом ряду не в одной плоскости с осями газовых сопл и оси горелки исключает соударение струй газа и кислорода и образование зон завихрения. Все это по сравнению с прототипом в большей степени стабилизирует горение и уменьшает уровень шума при работе, На второй ступени горение топлива, которое не прореагировало с кислородом на первой ступени из-за его недостатка, осуществляется за счет кислорода, поступающего из центрального сопла.

Поскольку кислород, поступающий из центрального сопла. окружен по всей поверхности струй факелом. то он расходуется практически полностью на окисление топлива, что также уменьшает образование окислов азота.

Таким образом, в предлагаемой конструкции горелочного устройства обеспечива«тся получение скоростного

2003926 нь сокотемпературного факела при меньшей концентрации окислов азота в дымовых газах и низком уровне шума, Оптимальность выбранного соотношения площадей Г /Fz входных сечений центрального сопла и сопл в кольцевом ряду для кислорода подтверждено данными, полученными исследованиями авторов на огневой модели, Приведенные в таблице данные получены при исследовании предлагаемой

10 конструкции устройства, выполненного в соответствии с формулой изобретения (углы а = 25 и /3=?5, каждое ступенчатое сопла выполнено с площадью выходного сечения, ния в 3,5 раза), при различных соотношениях площадей F)/F2 входных сечений центрального сопла и сопл в кольцевом ряду для кислорода и конструкции горелочного

20 устройства по прототипу.

Из приведенных данных видно, что при отношении площади входного сечения центрального кислородного сопла к суммарной площади входных сечений кислородных сопл в кольцевом ряду F>/Fz = 0,4-0,8 обеспечивается минимальная концентрация окислов азота в дымовых газах и низкий уровень шума при высоком КПД устройства (см. опыты ¹ 2-4 табл.), При Fg/F2 < 0,4 велико поступление кислорода через сопла кольцевого ряда, что приводит к появлению на начальном участке факела свободного кислорода, который идет на окисление азо25

30 та, При этом концентрация окислов азота в

35 дымовых газах увеличивается при повышении уровня шума при работе (см. опыт ¹ 1, табл.). Увеличение F1/Fz более 0,8 нерационально, так как не приводит к дальнейшему снижению концентрации окислов азота и снижению уровня шума, к тому же при этом из-за ухудшения смешения топлива с окислителем оявляется недожог топлива, что снижает КПД устройства (см, опыт М 5. табл,). превышающей площадь его входного сече- 15

Таким образом. по сравнению с прототипом применение предлагаемой конструкции обеспечивает снижение концентрации окислов азота в 1,5 раза и уменьшение уровня шума на 5 — 6 дБ, Предлагаемое горелочное устройство было испытано на двухванной печи садкой

2 х 300 т Череповецкого металлургического комбината. На каждую ванну печи устанавливали по три горелочнь|х устройства суммарной тепловой мощностью 50 — 70 МВт. В качестве топлива применяли природный газ. устройства использовались для нагрева шихты во время завалки и прогрева. Проведенные испытания показали, что при использовании предлагаемой конструкции горелочных устройств обеспечивается эффективный нагрев шихты (КПД = 49 — 50 (,) при небольших концентрациях окислов азота в дымовых газах (180-210 мг/мз) и низком уровне шума (74-76 дБ). По сравнению с прототипом концентрация окислов азота в дымовых газах уменьшилась в 1,4-1,6 раза, а уровень шума снизился на 7 — 10 дБ. Для достижения тех же показателей при использовании rîðåëo÷íых устройств по прототипу требуется снижение тепловой мощности горелок и расхода кислорода, что уменьшает эффективность нагрева шихты. При этом требуется уменьшить долю лома в шихте и увеличить расход чугуна на 5-10 кг/т.

Таким образом, применение предлагаемой конструкции горелочного устройства обеспечит значительное улучшение условий труда обслуживающего персонала и уменьшит загрязнение воздушного бассейна. Одновременно за счет работы горелок с максимальной тепловой мощностью повышается эффективность нагрева шихты, что позволяет снизить расход чугуна на 5-10 кг/т, . (56) Авторское свидетельство СССР

N 535436, кл, F 23 D 14/32, 1976, Авторское свидетельство СССР

М 1534250. кл. F 23 0 14/38, 1989.

II Ф ° д °

Э Ф

Э °

° 1 Э 1

° ° 1

O l 1

В 1

t ° э! ° В

° Otl

° .1 °: tl ° °

° ° 1 ° . В

1 9

° 4

° °

Э l

° l

t 1O l

° ° ° Ф

° 2

Ф В 1 °

ФВ

3 Э °

В Э

Э Э °

° ° t

° 1 ° I

° Ф ° с

Ф Ф °

3 ° М ° В

° ° °

° . -1. 1 1 ° е@

° М Э

М ° 1 Э В 4

° :. . s, °. ° . 1. ° 1 ° 4

° \ Э . ° l \ S

1131 . ° °

Ф ° ° ° ° °

° . Э 1 В

° ° °

° 1

l ° ° 1.

° - - O l a

° Э ° °

° OO l ° °

° Э

ФЭ . ° Э

2003926

Тираж - Подписное

НПО "Поиск" Роспатента

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

Заказ 3320

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

Составитель М.Зубков

Редактор Т.Лошкарева Техред M.Mîpãåíòâë . Корректор - Л.Ливринц ..