Повітронагрівач для доменних печей

Корисна модель відноситься до чорної металургії, зокрема, до конструкції повітронагрівачів для доменних печей. Відомі повітронагрівачі з виносною шахтною камерою горіння, наприклад SU, а. с. №730827 від 30.04.80 р., МПК С 21 В 9/02. Для такого технічного рішення повітронагрівачів для доменної печі характерні великі габарити, висока вартість, оскільки досить складна конфігурація вимагає великих капітальних витрат, і при цьому конструкція не забезпечує рівномірного й ефективного розподілу дуття по перетині насадки. Результатом нерівномірного розподілу є локальні перегріви і температурні перевантаження окремих зон, тобто неефективне використання енергоресурсів. Відомо технічне рішення повітронагрівача для доменної печі згідно SU, а. с. №1388431 від 15.04.88 р., МПК С 21 В 9/02. Відомий повітронагрівач містить кожух, купол, вогнетривку футеровку, бічну внутрішню шахтну камеру горіння і камеру насадки. З метою підвищення ефективності нагрівання дуття за рахунок поліпшення розподілу повітряних потоків, повітронагрівач постачений розподільником потоків дуття, виконаним у виді змінного насадка з циліндричними соплами на камері горіння. Відоме технічне рішення менш громіздке і менш капіталоємне, забезпечує більш ефективну рівномірність нагрівання по перетині насадки. Однак внутрішня шахта камери горіння займає до 30% об'єму повітронагрівача, що значно знижує його продуктивність. Крім того, недоліком такого технічного рішення повітронагрівача є велике температурне навантаження на стінки шахтної камери горіння і, у зв'язку з цим, схильність до руйнування, тобто стійкість такого повітронагрівача низька. До недоліків відомого повітронагрівача варто віднести недостатньо високий ступінь розподілу температури по перетині насадки, оскільки камера горіння зміщена, і в цьому випадку навіть розподільник дуття не забезпечить високого ступеня розподілу продуктів горіння по насадці. У зв'язку з вищевикладеним більш раціонально позбутися від шахти горіння і спалювати газ безпосередньо в підкупольному просторі або в розташованих поблизу його спеціальних топкових камерах. Відомо технічне рішення повітронагрівача доменної печі згідно SU, а. с. №926017 від 07.05.82 р., МПК С21В 9/02, що містить кожух, купол, футеровку, камеру насадки, багатосопловий кільцевий пальник, газові і повітряний кільцеві колектори, підключені до каналів підведення газу і повітря і до сопел пальника, що виконані у виді вертикальних каналів, що чергуються, з яких одні, наприклад повітряні, перекриті зверху і мають отвори в бічних стінках, а інші, наприклад газові, мають вільний вихід у форкамеру, що також виконана кільцевою. При роботі відомого повітронагрівача в період нагрівання газ і повітря через канали підведення газу і повітря подаються в газовий і повітряний колектори і потім у вертикальні канали багатосоплового пальника, де відбувається перемішування газу і повітря завдяки отворам у бічних стінках одних з каналів з утворенням пальної суміші, що займається і згоряє у форкамері. Продукти горіння виходять у підкупольний простір і звідси направляються в насадочну камеру повітронагрівача і нагрівають розташовану в ній насадку. Відоме технічне рішення замість внутрішньої шахтної камери горіння передбачає кільцеву форкамеру, розташовану практично в основі підкупольного простору по його периметрі, що дозволяє спалювати газ безпосередньо в підкупольному просторі. У порівнянні з вищерозглянутими аналогами, відомий повітронагрівач має більш високу продуктивність і, оскільки спалювання газу відбувається симетрично, конструкція дозволяє більш рівномірно розподілити дуття по об'єму купольного простору, відкіля продукти горіння направляються на нагрівання насадки. Однак, локальний перегрів стінок форкамери і прилягаючих до цієї зони стінок купола створює проблеми додаткового термічного захисту цих зон, оскільки термічне перевантаження приводить до розтріскування футеровки цих зон, тобто зниженню стійкості відомого повітронагрівача з однієї сторони і, з іншої сторони це свідчить про непродуктивні витрати енергоресурсів і низьку ефективність їхнього використання для нагрівання насадки. Крім того, будь-яка температурна локалізація веде до нерівномірності розподілу тепла по перетині насадки. Найбільш близьким до технічного рішення, що заявляється, є технічне рішення повітронагрівача для доменної печі відповідно до патенту RU №2145637 від 20.02.2000 р., МПК С21В 9/02, відоме серед фахівців і в технічних публікаціях як безшахтний повітронагрівач Калугіна. Відомий повітронагрівач має кожух з футеровкою, насадку, штуцер гарячого дуття, купол, форкамеру, кільцеві колектори газу і повітря, що мають штуцери, що підводять газ і повітря, і канали для підведення газу і повітря в зону горіння - у форкамеру. Форкамера розташована у верхній частині купола співвісно з ним і має кожух з футеровкою, виконаною незалежно від футеровки купола із самостійною опорою на кожух форкамери. Штуцер гарячого дуття розташований над насадкою на відстані до його осі не менш одного діаметра його прохідного перетину. Колектори газу і повітря розташовані між кожухом і бічною стінкою футеровки форкамери один над іншим, а вихідні канали виконані у вертикальній бічній стінці футеровки форкамери з можливістю подачі газу і повітря безпосередньо у форкамеру, при цьому осі каналів верхнього ряду з нижнього колектора спрямовані до осі форкамери і зміщені нагору від горизонтальної площини на кут до 30°, а осі всіх інших каналів розташовані в горизонтальній площині і спрямовані під кутом 15°-30° до радіусів форкамери, що проходять через центри їхніх вихідних отворів. У порівнянні з вищерозглянутим аналогом у відомому повітронагрівачі створені умови для більш рівномірного спалювання і розподілу тепла усередині купольної форкамери за рахунок утворення закрученого (вихрового) потоку. Закрутка поліпшує перемішування газу і повітря і забезпечує більш повне вигоряння газу до входу в насадку. Стінки форкамери не перегріваються, а тому стійкість форкамери вища, ніж у попереднього аналога. Однак великі габарити форкамери визначають великі витрати енергоресурсів на її нагрівання, тобто очевидні непродуктивні витрати енергоресурсів. Горловина форкамери піддається великим тепловим навантаженням, тому що в цій зоні температура досягає максимуму температури газів у факелі. Як наслідок, виникають проблеми термозахисту цієї зони, можливість деструктивних змін горловини і зниження стійкості повітронагрівача. Пережим факела в горловині на виході з форкамери, при підвищеній температурі газів у ньому, супроводжується підвищеним аеродинамічним опором форкамери і підвищеною температурою стінок купола на ділянці від горловини до відриву факела від стін купола. При цьому не забезпечується рівномірність розподілу температур і потоків гарячих газів при вході в насадку, тому що кут розкриття вихрового факела після горловини складає близько 20°, а відстань між горловиною і поверхнею насадки обмежена і знаходиться в залежності від розмірів горловини, звичайно ця відстань складає 3-4 діаметра горловини, тобто факел не встигає розкритися в такий ступінь, щоб рівномірно нагріти насадку по всій площі. Таким чином, технічне рішення відомого повітронагрівача доменної печі не забезпечує високого ступеня рівномірності нагрівання насадки і, унаслідок контакту високотемпературної зони факела зі стінками горловини форкамери і частини купола, неефективно використовує енергоресурси, частина з яких йде не на нагрівання насадки, а на деструктивне високотемпературне нагрівання окремих зон повітронагрівача, що, крім того, знижує його стійкість. Задачею корисної моделі є підвищення ефективності використання енергоресурсів у повітронагрівачі для доменної печі при одночасному підвищенні його стійкості. Поставлена задача вирішується тим, що в повітронагрівачі для доменної печі, що містить кожух з куполом, що мають футеровку, насадку, розташований над насадкою відвід гарячого дуття, кільцеві колектори газу і повітря, з'єднані зі штуцерами, що підводять газ і повітря, і з каналами підведення газу і повітря в зону горіння, відповідно до корисної моделі, згадані канали виконані у формі щілинних каналів, рівномірно розташованих у кладці циліндричної частини повітронагрівача в основі купола над насадкою і спрямованих у горизонтальній площині під кутом 30°-45° до радіусів згаданої циліндричної частини, що проходить через центри їхніх вихідних перетинів, при цьому вихідні перетини кожного з каналів приєднані до колекторів газу і повітря, які приварені загальним кожухом у формі металевої оболонки зовні до кожуха повітронагрівача і футеровані зсередини теплоізоляційним матеріалом. Рівномірно розташовані в кладці циліндричної частини повітронагрівача щілинні канали в основі купола над насадкою дозволяють безпосередньо над насадкою сформувати зону горіння, а спрямованість каналів у горизонтальній площині під кутом 30°-45° до радіусів згаданої циліндричної частини, що проходить через центри їхніх вихідних перетинів забезпечує утворення плоскої вихрової зони горіння діаметром (0,5-0,7)D, де D внутрішній діаметр повітронагрівача. Це створює умови для максимально можливої віддачі тепла в насадку без утрат на нагрівання купола і локальні перегріви, як це має місце в найближчому аналогу. Одночасно у пристінній (біля вихідних перетинів каналів і футеровки повітронагрівача) зоні утвориться захисне вихрове кільце відносно низькотемпературних (900°-1000°С) газів "холодної" частини факелів. Це забезпечує захист футеровки в зоні горіння і підвищує тим самим стійкість повітронагрівача. Верхня насадочна зона, що знаходиться під плоскою вихровою зоною горіння виконує роль шарового підігрівника з допалюванням газу в шарі з внутрішнім джерелом тепла і забезпечує максимальну температуру насадки, а значить і максимально ефективне використання енергоресурсів, з огляду на мінімізацію непродуктивних утрат. Колектори, розташовані так, щоб канали своїм входом приєднувалися до їхніх порожнин, забезпечують подачу газу і повітря в кожен канал, тому процес змішування газу з повітрям починається вже в самому каналі. Колектори конструктивно легко здійснити при реконструкції, тому що розміщені зовні кожуха повітронагрівача. Загальна металева несуча оболонка дозволяє надійно приварити кожух колекторів до кожуха повітронагрівача. Таким чином технічне рішення повітронагрівача для доменної печі, що заявляється, в порівнянні з найближчим аналогом дозволяє: - підвищити ефективність використання енергоресурсів, оскільки плоска вихрова зона горіння формує потоки продуктів горіння безпосередньо над усією площею насадки, при цьому знижуються втрати тепла; - підвищити стійкість повітронагрівача за рахунок утворення захисної вихрової зони "холодної" частини факелів і відсутності локальних зон високотемпературного навантаження. Крім того, корисна модель, що заявляється, дозволяє вести реконструкцію звичайних повітронагрівачів у безшахтному варіанті при існуючих габаритах блоків повітронагрівачів з меншими витратами, ніж у найближчому аналогу. Сутність технічного рішення повітронагрівача для доменної печі, що заявляється, пояснюється графічними матеріалами: Фіг.1 - загальний вид повітронагрівача для доменної печі. Фіг.2 - розріз І-І на Фіг.1 Повітронагрівач для доменної печі містить кожух 1 з куполом 2, що мають футеровку 3, насадку 4, розташований над насадкою відвід 5 гарячого дуття, кільцеві колектори 6, 7, з'єднані зі штуцерами 8, 9 газу і повітря, і з каналами 10, що підводять, газ і повітря в зону 11 горіння. Канали 10 виконані у формі щілинних прямокутних каналів, рівномірно розташованих у кладці циліндричної частини 12 повітронагрівача в основі купола 2 над насадкою 4 і спрямованих у горизонтальній площині під кутом α=30°-45° до радіусів циліндричної частини 12, що проходить через центри вихідних перетинів 13 каналів 10. Вхідні перетини 14 кожного з каналів 10 приєднані до колекторів 6 і 7 газу і повітря, що приварені загальним кожухом 15 у формі металевої оболонки зовні до кожуха 1 повітронагрівача і футеровані зсередини теплоізоляційним матеріалом. Повітронагрівач для доменної печі працює в такий спосіб. Газ і повітря через штуцери 8 і 9 надходять у колектори 6, 7 газу і повітря, а потім по каналах 10, кожний з яких підключений до колекторів 6 і 7,надходить у зону 11 горіння. Змішування газу і повітря починається в каналах 10, а потім у вихровій зоні 11 горіння газ і повітря інтенсивно перемішуються. За рахунок розташування щілинних каналів 10 у горизонтальній площині під кутом α=30°-45° до радіусів циліндричної частини 12, що проходить через центри вихідних перетинів 13, потоки газу і повітря закручуються і утворюють плоску вихрову зону 11 горіння над насадкою 4. Цим забезпечується максимально рівномірне нагрівання насадки 4. У пристінній області (біля вихідних перетинів 13 каналів 10 і футеровки повітронагрівача) утвориться захисне вихрове кільце низькотемпературних газів (900°-1000°С), що знижує рівень температурного навантаження на цю область. Максимум температур газу в зоні 11 горіння виникає в обсязі плоскої вихрової зони горіння над насадкою. Оскільки зона 11 горіння плоска не потрібно значних відстаней до насадки. Ця відстань може дорівнювати 0,06D, де D - діаметр циліндричної частини 12 повітронагрівача, на відміну від найближчого аналога, де факел повинний розкритися, щоб мати площу покриття насадки близьку до її площі, для чого необхідна відстань у 3-4 діаметра горловини. Варто мати на увазі, що збільшення відстані - це втрати тепла, яке мусить бути максимально використане на нагрів насадки. Плоска зона горіння забезпечує рівномірність розподілу температур по перетині насадки і зводить до мінімуму втрати тепла. Одночасно плоска вихрова зона горіння захищає футеровку від температурних перевантажень, оскільки, як і будь-який факел має "холодну" частину, що у нашому випадку утворить захисне вихрове кільце. Таким чином, технічне рішення повітронагрівача, що заявляється, вирішує поставлену задачу - підвищує ефективність використання енергоресурсів за рахунок зменшення втрат тепла й одночасно підвищує стійкість повітронагрівача, оскільки виключає контакт високотемпературної зони горіння з футерівкою. Додатково слід зазначити, що корисна модель дозволяє проводити реконструкцію звичайного повітронагрівача при збереженні конструкції купольної його частини, знижуючи, у порівнянні з найближчим аналогом, капітальні витрати і наступні експлуатаційні витрати.