Горелочное устройство

(57) Исйользование: при выплавке стали в мартеновских и двухваннцх 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 кислородКомитет Российской Федерации по патентам и товарным знакам ПИСАИИ Е) КЦ 1 Ц 2 ОО 3926 С1) 5 Р 23 014 38 нцх сопл наклонены под углом 20 - 55 к продольной оси головки, а угол между поверхностями вращения геометрических осей соат для кислорода и топлива составляет 13 -40. Кислородные сопла выполнены ступенчатымц 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 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.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 располокена от осей сопл окислителя на расстоянии, равном 3-5 диаметра топливного сопла, и оси рядом расположенных сопл размещены одна над другой под углом 2-12 МНедостатком 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 температурь 1, 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 смещение 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, наклоненных 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 в одной плоскости с продольными осями головки и близлежащего кислородного сопла и наклонена к осипоследнего под углом 25-40 О, а остальныетопливные сопла наклонены к продольной5 оси головки под углом 7-20(т. е. угол встречи между поверхностями вращения геометрических осей топливных и кислородныхсопл составляет 13-40) 2),Недостатком известной конструкции10 является высокая концентрация окисловазота в дымовых газах и повышенный уровень шума при работе горелочного устройства, Объясняется это следующим. Подачакислорода только через кольцевой ряд сопл15 приводит к тому, что на начальном участкефакела (на расстоянии от корня факела доучастка полного смешения топлива с кислородом) кислород, не успевший вступить вреакцию окисления топлива, частично идет20 на окисление азота воздуха в высокотемпературной зоне факела, подсасываемого вфакел из рабочего пространства агрегата.Это приводит к повышенному образованиюокислов азота при сжигании топлива. чтоувеличивает токсичность дымовых газов изагрязнение окружающей среды,Выполнение же в известной конструкции осей газовых сопл переменного сеченияи кислородных сопл в одной плоскости с30 осью, головки приводит к соударению струйгаза и кислорода, что вызывает появлениезон завихрения, которые увеличивают уровень шума при сжигании топлива, Такимобразом, ухудшаются условия труда обслу 35 живающего персонала. Кроме того, повышенный уровень шума при работе горелокне позволяет использовать их с максимальной тепловой мощностью, т. е, с максимальной тепловой эффективностью, поскольку40 при снижении тепловой нагрузки уменьшаются скорости истечения газа и кислорода икоэффициент теплопередачи конвекцией отФакела к шихте, Такое снижение приводит куменьшению эффективности и степени на 45 грева шихты, что требует снижения долилома в шихте и увеличения расхода чугунана выплавку стали.Целью изобретения является снижениеокислов азота в дымовых газах и уровняшума при работе устройства.Цель достигается тем. что в горелочномустройстве, содержащем водоохлаждаемую головку с кольцевым рядом кислородных сопл, наклоненных к продольной оси головки под углом 20-55 О и охватывающим его кольцевым .рядом топливных сопл с углом между поверхностями вращения геометрических осей топливных и кислородных сопл 13-40 О, с выполнением ступенчатых сопл с площадью выходного сечения каждого со 200392630 35 40 45 50 55 пла, превышающей в 3-4 раза площадь еговходного 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 каждоекислородное 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 устройствапоказана на фиг. 1(продольный разрез горелочного устройства) и фиг. 2 - вид.Б на фиг. г.Устройство содержит голову 1, трубы 2-5, образующие тракты для подачи кислорода, топлива, подвода и отвода охлаждающей воды. Головка 1 имеет кольцевой рядкислородных сопл б и охватывающий егокольцевой ряд топливных сопл 7. Оси кислородных сопл б наклонены под углом а= 20-55 к продольной оси головки, а уголмежду поверхностями вращения геометрических осей сопл для кислорода б и топлива7 составляет Р = 13-40. Кислородное сопло б выполнено ступенчатым 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 7 и ось головки 1, По оси головки выполнено центральное кислородное сопло 8 с площадью входного сечения Г 1, равной 0,4 - 0,8 суммарной площади входных сечений Р 2 кислородных сопл б в кольцевом ряду( - 1= 0,4 - 0,8),Г 2Устройство работает следующим образом,Во время завалки и нагрева шихты через отверстие в своде устройство заводится в рабочее пространство, например, двух- ванной 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 кольцезвого ряда сопл для кислорода с соотношением площадей их входных сечений 0,4 - 0,8, а также выполнение кислородных сопл с переменным поперечным сечением и предлагаемое расположение осей кислородных сопл в кольцевом ряду отног,ительно осей 1015 2025 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 газах. После окончания нагрева 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 обеспечиватся получение скоростноговысокотемпературного факела при меньшей концентрации окислов азота в дымовых газах и низком уровне шума,Оптимальность выбранного соотношения площадей Г 1/Г 2 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 5 10 конструкции устройства, выполненного в соответствии с формулой изобретения (углы а = 25 и Р= 25 О, каждое ступенчатое сопла выполнено с площадью выходного сечения,ния в 3,5 раза), при различных соотношениях площадей Г 1/Е 2 входных сечений центрального сопла и сопл в кольцевом ряду для кислорода и конструкции горелочного 20 устройства по и рототипу. Из приведенных данных видно, что при отношении площади входного сечения центрального кислородного сопла к суммарной площади входных сечений кислородных сопл в кольцевом ряду Г 1/Г 2 = 0,4-0,8 обеспечивается минимальная концентрация окислов азота в дымовых газах и низкий уровень шума при высоком КПД устройства (см, опыты М 2-4 табл.), При Г/Р 20,4 велико поступление кислорода через сопла кольцевого ряда, что приводит к появлению на начальном участке факела свободного кислорода, который идет на окисление азо 25 30 та, При этом концентрация окислов азота в 35 дымовых газах увеличивается при повышении уровня шума при работе (см. опыт М 1,табл,). Увеличение Г 1/Г 2 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 появляется недожог топлива, что снижает КПД устройства (см, опыт М 5. табл,),превышающей площадь его входного сече 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 горелочньх 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 06) 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 горелочных 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 1 ч. 535436, кл, Е 23 0 14/32, 1976,Авторское свидетельство СССР М 1534250. кл, Б 23 0 14/38, 1989.Формул а из обре те н и яГОРЕЛОЧНОЕ УСТРОЙСТВО, содержащее водоохлаждаемую головку с кольцевым рядом кислородных сопл, наклоненных к продольной оси головки под углом 20 - 55, и охватывающим его кольцевым рядом. прямых и ступенчатых топливных сопл с осями, наклоненными под углом 13 - 40 к осям кислородных сопл, причем площадь выходного сечения каждого ступенчатого топливного сопла в 3 - 4 раза больше площади его входного сечения, отличающееся тем, что, с целью снижения содержания окислов азота в дымовцх газах и уровня шума при работе устройства, в головке дополнительно выполнено центральное кислородное сопло с площадью входного сечения, равной 0,4 - 0,8 суммарной площади входных сечений кислородных сопл кольцевого ряда, выполненных ступенчатыми, а плоскость, проходящая через его продольную ось и продольную ось головки, расположена между плоскостями, проходящими через продольные оси смежных топливных сопл 5 и ось головки,2003926 Составитель М,ЗубковТехред М.Моргентал едактор Т,Лошкар орректор Л,Ливринц . Заказ 33 Тираж Подписн НПО "Поиск" Роспатента3 3035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5 одственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул, Гагарина,Г 1 рои