RU2154674C1

RU2154674C1 - Blast-furnace air heater

Info

Publication number: RU2154674C1
Application number: RU99115952A
Authority: RU
Inventors: В.Д. Коршиков; Д.В. Захаров; И.С. Яриков; В.Н. Григорьев; Ю.В. Бородин; Е.Ф. Милованов; И.Г. Бянкин; М.В. Коршикова
Original assignee: Открытое акционерное общество "Новолипецкий металлургический комбинат"; Липецкий государственный технический университет
Priority date: 1999-07-21
Filing date: 1999-07-21
Publication date: 2000-08-20

Abstract

FIELD: metallurgy, mainly, high-temperature heating of blast and other gaseous heat carriers. SUBSTANCE: essence of invention consists in that combustion chamber of blast-furnace air heater has protective appliance located from level of combustion chamber base to level of hot blast pipe union. Protective appliance is arranged in a spaced relation to separating wall equalling 0.002-0.0025 of air heater inner diameter. Made in combustion chamber bottom is pipeline provided with regulating valve and connected with cold blast pipe union to supply cold blast to said space. EFFECT: elimination of ejection of carbon monoxide to atmosphere and increased heat efficiency of air heaters. 2 dwg, 1 ex

Description

Изобретение относится к области металлургии, а точнее высокотемпературному нагреву дутья и других газообразных теплоносителей. The invention relates to the field of metallurgy, and more specifically to high-temperature heating of blast and other gaseous coolants.

Известен доменный воздухонагреватель, содержащий камеру насадки, внутреннюю камеру горения со штуцером горячего дутья, разделительной стеной и защитным окатом, играющим роль дополнительного уплотнения разделительной стены (Шкляр Ф. Р., Малкин В.М., Каштанова С.П. и др. Доменные воздухонагреватели (конструкции, теория, режимы работы)//М.: Металлургия, 1982, 176 с. с ил.). Known blast furnace heater containing a nozzle chamber, an internal combustion chamber with a hot blast fitting, a dividing wall and a protective okat, playing the role of an additional seal of the dividing wall (Shklyar F.R., Malkin V.M., Kashtanova S.P. and others. air heaters (designs, theory, operating modes) // M .: Metallurgy, 1982, 176 pp. ill.).

В известном воздухонагревателе не устраняется эффект "короткого замыкания" - прямого перетока части газообразного топлива через разделительную стену в сопряженную область камеры насадки в дымовой период, а также перетоков холодного дутья в обратном направлении в период охлаждения, что снижает тепловую эффективность работы аппарата и наносит экологический ущерб окружающей среде. Действительно, защитный окат, располагаемый между разделительной стеной и устьем горелки, подвергается довольно значительному динамическому удару газовых струй (даже большему, нежели сама разделительная стена) и вследствие переменного температурного режима и интенсивной вибрации постепенно теряет газоплотность. Таким образом, установка защитного оката лишь несколько задерживает развитие эффекта "короткого замыкания", но полностью не устраняет его. Это приводит к появлению в дымовых газах оксида углерода (СО) и снижает тепловую эффективность работы воздухонагревателя. Кроме того, в продуктах горения имеет место значительное количество оксидов азота (NO_x), характерное для одноступенчатого режима горения топлива (Котлер В.Р. Оксиды азота в дымовых газах котлов// М.: Энергоатомиздат, 1987, 144 с. с ил.).In the known air heater, the effect of a “short circuit” is not eliminated - a direct flow of part of the gaseous fuel through the dividing wall to the mating area of the nozzle chamber during the smoke period, as well as the flow of cold blast in the opposite direction during the cooling period, which reduces the thermal efficiency of the apparatus and causes environmental damage environment. Indeed, the protective bend located between the separation wall and the mouth of the burner undergoes a fairly significant dynamic impact of gas jets (even larger than the separation wall itself) and gradually loses its gas density due to the variable temperature regime and intense vibration. Thus, the installation of protective okat only delays the development of the effect of "short circuit", but does not completely eliminate it. This leads to the appearance of carbon monoxide (CO) in the flue gas and reduces the thermal efficiency of the heater. In addition, a significant amount of nitrogen oxides (NO _x ) is characteristic of combustion products, which is characteristic of a single-stage fuel combustion mode (Kotler V.R. Nitrogen oxides in the flue gases of boilers // M .: Energoatomizdat, 1987, 144 pp. Sludge. )

Наиболее близким техническим решением является доменный воздухонагреватель SU 985049, С 21 В 9/02, 30.12.1982, состоящий из кожуха, на внутренней поверхности которого расположена огнеупорная футеровка, камеры насадки и камеры горения, объединенных куполом. В днище камеры горения выполнен кольцевой паз, открытый внутрь камеры горения. Нижняя часть кольцевого паза соединена вертикальными патрубками с внутренним коллектором подвода охладителя (холодное дутье). С внешней стороны кожуха камеры горения установлен коллектор, соединенный патрубками с внутренним коллектором подвода охладителя. Внешний коллектор снабжен отсечным шибером. The closest technical solution is a blast furnace air heater SU 985049, С 21 В 9/02, 12/30/1982, consisting of a casing, on the inner surface of which there is a refractory lining, nozzle chambers and a combustion chamber united by a dome. An annular groove is made in the bottom of the combustion chamber, which is open inside the combustion chamber. The lower part of the annular groove is connected by vertical pipes to the internal collector of the cooler supply (cold blast). On the outside of the casing of the combustion chamber, a collector is installed, connected by pipes to the internal collector of the cooler supply. The external collector is equipped with a shut-off gate.

Камера горения отделена от камеры насадки разделительной стенкой. На днище камеры горения по всему периметру разделительной стенки на расстоянии от нее 0,01-0,03 длины разделительной стенки установлена дополнительная стена из высокоогнеупорного материала (например из МКВ-72), образуя щель. Высота щели составляет 0,5-1,0 средней длины разделительной стенки. Дополнительная стена со стороны рабочего пространства камеры горения удерживается контрфорсами (упорные стенки), которые расположены друг от друга на расстоянии 0,12-0,20 средней длины разделительной стенки. The combustion chamber is separated from the nozzle chamber by a dividing wall. An additional wall of high refractory material (for example, MKV-72) is installed on the bottom of the combustion chamber along the entire perimeter of the separation wall at a distance of 0.01-0.03 of the length of the separation wall, forming a gap. The height of the slit is 0.5-1.0 of the average length of the dividing wall. The additional wall from the side of the working space of the combustion chamber is held by buttresses (thrust walls), which are located from each other at a distance of 0.12-0.20 of the average length of the separation wall.

Доменный воздухонагреватель работает следующим образом. Blast air heater operates as follows.

Во все периоды работы воздухонагревателя охладитель, например холодное дутье, подают из внешнего коллектора при открытом шибере через патрубки во внутренний коллектор и далее через вертикальные патрубки в нижнюю часть кольцевого паза. Холодное дутье, нагнетаемое из вертикальных патрубков (сопел), при выходе из кольцевого паза, примыкающего к кладке радиальной стены, создает защитную оболочку, предохраняющую огнеупорную кладку и кожух от агрессивного воздействия газов с высокими температурами в факеле горения. Охладитель из паза, примыкающего к разделительной стенке, сначала попадает в щель, а уже на выходе из нее создает защитную оболочку. During all periods of operation of the air heater, a cooler, for example a cold blast, is supplied from the external manifold with the gate open, through the nozzles to the internal manifold and then through the vertical nozzles to the lower part of the annular groove. Cold blast pumped from vertical nozzles (nozzles), when leaving the annular groove adjacent to the masonry of the radial wall, creates a protective shell that protects the refractory masonry and the casing from the aggressive effects of gases with high temperatures in the flame. The cooler from the groove adjacent to the dividing wall, first enters the gap, and already at the exit from it creates a protective shell.

Однако известный воздухонагреватель имеет следующие недостатки. Высота щели составляет лишь 0,5-1,0 от средней длины разделительной стенки (что в реальном исполнении составит 2-4 м), т.е. ввод вторичного воздуха находится в зоне раскрытия первичного потока газообразных реагентов из устья горелки. Это не позволит реализовать преимущество двухстадийного режима горения, состоящее в понижении на 50% доли выбросов NO_x в дымовых газах. Таким образом, в известном воздухонагревателе реализуется лишь разделенный в пространстве днища камеры горения одностадийный режим горения топлива. Кроме того, представляется нецелесообразным развитие кольцевого паза на полупериметр сочленения стены камеры горения с радиальной стеной воздухонагревателя и примыкающий к горелке. Ведь даже в случае образования здесь трещин футеровка, вследствие температурного расширения огнеупоров, поджимается к кожуху и перетоки недожженного топлива по этому полупериметру основания камеры горения исключаются. В то же время постоянный приток холодного дутья, не прогреваемого в этой зоне в результате теплового взаимодействия с футеровкой дополнительной стены, увеличит перепады температур между периодами нагрева и дутья в этом, наиболее термически напряженном узле камеры горения, что вызовет снижение стойкости ее футеровок.However, the known air heater has the following disadvantages. The height of the gap is only 0.5-1.0 of the average length of the dividing wall (which in real execution will be 2-4 m), i.e. the input of secondary air is in the zone of disclosure of the primary flow of gaseous reactants from the mouth of the burner. This will not allow to realize the advantage of a two-stage combustion regime, consisting in a 50% reduction in the share of NO _x emissions in flue gases. Thus, in the known air heater, only a single-stage fuel combustion mode is divided in the space of the bottom of the combustion chamber. In addition, it seems inappropriate to develop an annular groove on the half-perimeter of the joint of the wall of the combustion chamber with the radial wall of the heater and adjacent to the burner. Indeed, even in the case of the formation of cracks here, the lining, due to the thermal expansion of the refractories, is pressed to the casing and the flow of unfired fuel along this half-perimeter of the base of the combustion chamber is excluded. At the same time, a constant influx of cold blast, which is not heated in this zone as a result of thermal interaction with the lining of the additional wall, will increase the temperature differences between the periods of heating and blasting in this, the most thermally stressed unit of the combustion chamber, which will reduce the durability of its lining.

Задача, на решение которой направлено предлагаемое техническое устройство - ликвидация перетоков топлива из камеры горения в камеру насадки в период нагрева, а также дутья в обратном направлении в период охлаждения аппарата. При этом достигается получение такого технического результата, как ликвидация выбросов в атмосферу оксидов углерода, снижение выбросов оксида азота и повышение тепловой эффективности работы воздухонагревателей. The problem the proposed technical device is aimed at eliminating fuel flows from the combustion chamber to the nozzle chamber during the heating period, as well as blowing in the opposite direction during the cooling of the apparatus. At the same time, it is possible to obtain such a technical result as the elimination of carbon monoxide emissions, the reduction of nitric oxide emissions and the increase in the thermal efficiency of air heaters.

Задача решается тем, что между защитным окатом и разделительной стеной воздухонагревателя реализуют зазор шириной б = 0,002 - 0,0025 от внутреннего диаметра воздухонагревателя, а в кладке днища выполняют трубопровод, соединенный со штуцером холодного дутья, для подачи в зазор снизу (фиг. 1, 2) воздуха холодного дутья. При этом подводящий трубопровод снабжают регулирующим клапаном для выравнивания давлений в камере горения и на выходе из зазора в период нагрева (благодаря чему исключают доступ газообразного топлива к разделительной стене), а в период охлаждения осуществляют выравнивание давлений на выходе из зазора и в камере насадки (благодаря чему исключают переток дутья из камеры насадки в камеру горения). Одновременно, в силу постоянного течения холодного дутья по зазору, существенно снижают перепад температур на внутренней и внешней поверхностях разделительной стены и тем самым уменьшают количество сквозных трещин в этой зоне. Причем при реализации зазора защитный окат располагают от основания камеры горения до уровня верхней кромки штуцера горячего дутья для изоляции разделительной стены от лучистого теплового взаимодействия с водоохлаждаемым шибером горячего дутья, поскольку локальный отток тепла от футеровки способствует развитию сквозных трещин в этой зоне. Наконец, подвод в камеру горения первичного и вторичного воздуха горения в соответствии с предлагаемым конструктивным решением разделен по высоте (первичный воздух поступает из устья горелки у основания камеры горения, вторичный - из зазора на уровне верхней кромки штуцера горячего дутья), и это двухступенчатое горение топлива (согласно Котлер В.Р. Оксиды азота в дымовых газах котлов// М.: Энергоатомиздат, 1987, 144 с. с ил.) снижает на 50% содержание NO_x в дымовых газах.The problem is solved in that between the protective window and the dividing wall of the heater, a gap of width b = 0.002-0.0025 of the inner diameter of the heater is realized, and in the masonry of the bottom a pipeline is connected to the cold blast fitting to be fed into the gap from below (Fig. 1, 2) cold blast air. At the same time, the supply pipe is equipped with a control valve for balancing the pressures in the combustion chamber and at the exit of the gap during the heating period (thereby excluding the access of gaseous fuel to the separation wall), and during the cooling period, the pressures at the exit of the gap and in the nozzle chamber are balanced (thanks to which excludes the flow of blast from the nozzle chamber to the combustion chamber). At the same time, due to the constant flow of cold blast through the gap, they significantly reduce the temperature difference on the inner and outer surfaces of the dividing wall and thereby reduce the number of through cracks in this zone. Moreover, when the gap is realized, a protective okay is placed from the base of the combustion chamber to the level of the upper edge of the hot blast fitting to isolate the separation wall from radiant thermal interaction with the water-cooled hot blast gate, since the local outflow of heat from the lining promotes the development of through cracks in this zone. Finally, the supply of primary and secondary combustion air to the combustion chamber in accordance with the proposed design solution is divided in height (primary air comes from the mouth of the burner at the base of the combustion chamber, secondary from the gap at the level of the upper edge of the hot blast fitting), and this is a two-stage fuel combustion (according to Kotler V.R. Nitrogen oxides in the flue gases of boilers // M .: Energoatomizdat, 1987, 144 pp. sludge) reduces the NO _x content in flue gases by 50%.

Оптимальная ширина щелевой полости (фиг. 1, 2) определена расчетным путем и ограничена по минимуму возможностью возрастания скорости воздуха до скорости звука, что может вызвать пульсационный режим горения топлива, по максимуму - необходимым для полного сжигания топлива расходом вторичного воздуха в условиях минимального сокращения поперечного сечения шахты камеры горения. При реализации щелевой полости защитный окат предлагается располагать от основания камеры горения до уровня верхней кромки штуцера горячего дутья, поскольку в соответствии с расчетно-экспериментальными данными (Коршиков В. Д., Бянкин И.Г., Соломенцев С.Л. Влияние высоты кессона на величину перетоков газовых сред в доменном воздухонагревателе//Изв. вуз. Черная металлургия, 1991, N 1, с. 86-88) выше данного уровня переток газовых сред снижается практически до нуля, вследствие резкого снижения перепада давления на внутренней и внешней поверхностях разделительной стены. The optimal width of the slit cavity (Fig. 1, 2) is determined by calculation and is limited to the minimum the possibility of increasing air velocity to the speed of sound, which can cause a pulsating mode of fuel combustion, to the maximum - necessary for complete combustion of the fuel by the secondary air flow rate with minimal reduction in transverse section of a mine combustion chamber. When implementing the slit cavity, it is proposed that the protective okat be placed from the base of the combustion chamber to the level of the upper edge of the hot blast fitting, since in accordance with the calculated and experimental data (Korshikov V.D., Byankin I.G., Solomentsev S.L. the value of the flow of gaseous media in a blast furnace // Izv.vuzhn. Ferrous metallurgy, 1991, N 1, pp. 86-88) above this level of flow of gaseous media is reduced to almost zero, due to a sharp decrease in pressure drop on the inner and outer surfaces azdelitelnoy wall.

На фиг. 1 изображен воздухонагреватель после его разогрева в рабочем состоянии, на фиг. 2 - сечение А-А. In FIG. 1 shows an air heater after warming it up in a working state, FIG. 2 - section aa.

Воздухонагреватель содержит штуцер 1 холодного дутья, соединенный с поднасадочным устройством 2. Поднасадочное устройство 2, расположенное в нижней части воздухонагревателя, соединяет рабочую камеру 3 со штуцером 1 холодного дутья и штуцерами 4 дыма. Рабочая камера 3 заполнена насадкой и соединена вверху с куполом 5. Камера 6 горения с разделительной стеной 7 и защитным окатом 8 соединена сверху с куполом 5, в средней части - со штуцером 9 горячего дутья, внизу - с горелкой 10. Зазор 11, реализованный между защитным окном 8 и разделительной стеной 7, соединен снизу посредством трубопровода 12, снабженного регулирующим клапаном 13, со штуцером 1 холодного дутья. The air heater comprises a cold blast fitting 1 connected to a nozzle 2. A nozzle 2 located at the bottom of the heater connects the working chamber 3 with a cold blast nozzle 1 and smoke fittings 4. The working chamber 3 is filled with a nozzle and connected at the top to the dome 5. The combustion chamber 6 with a dividing wall 7 and a protective bore 8 is connected from above to the dome 5, in the middle part to the hot blast fitting 9, and below to the burner 10. The gap 11, implemented between a protective window 8 and a dividing wall 7, is connected from below by means of a pipe 12 provided with a control valve 13, with a cold blast fitting 1.

Воздухонагреватель работает следующим образом. The air heater operates as follows.

В период нагрева насадки газ и первичный воздух горения поступают в горелку 10, а вторичный воздух горения с давлением, равным давлению в камере 6 горения и регулируемым посредством клапана 13, по трубопроводу 12 поступает в зазор 11, а затем в камеру 6 горения, где осуществляется двухстадийное сжигание топлива. Продукты горения поступают в рабочую камеру 3 и передают тепло насадке, после чего выходят в поднасадочное устройство 2 и из него через штуцеры 4 дыма отводятся в общий дымоход. During the heating period of the nozzle, the gas and primary combustion air enter the burner 10, and the secondary combustion air with a pressure equal to the pressure in the combustion chamber 6 and controlled by valve 13, enters through the pipeline 12 into the gap 11, and then into the combustion chamber 6, where two-stage combustion of fuel. The combustion products enter the working chamber 3 and transfer heat to the nozzle, after which they exit into the nozzle 2 and from it through the nozzles 4 the smoke is discharged into a common chimney.

В период охлаждения насадки холодное дутье через штуцер 1 подают в поднасадочное устройство 2, из которого оно поступает в рабочую камеру 3 и, нагреваясь за счет тепла насадки, выходит из под купола 5 в камеру 6 горения, откуда поступает в штуцер 9 и общий трубопровод горячего дутья. При этом часть дутья по трубопроводу 12 с давлением, равным давлению в рабочей камере 3 и регулируемым посредством клапана 13, поступает в щелевую полость 11, отсекая перетоки дутья в камеру 6 горения из рабочей камеры 3. During the cooling period of the nozzle, the cold blast through the nozzle 1 is fed into the nozzle device 2, from which it enters the working chamber 3 and, heating up due to the heat of the nozzle, exits from under the dome 5 into the combustion chamber 6, from where it enters the nozzle 9 and the common hot pipeline blast. In this case, a part of the blast through the pipeline 12 with a pressure equal to the pressure in the working chamber 3 and regulated by the valve 13, enters the slot cavity 11, cutting off the flow of blast into the combustion chamber 6 from the working chamber 3.

Пример. В доменном воздухонагревателе с внутренним диаметром 8,44 м, высотой насадки 40,64 м, оснащенным камерой горения чечевицеобразной формы общей высотой 36,7 м (применительно к условиям работы доменной печи объемом 3200 м³), защитный окат выкладывается на расстоянии 0,017 м от разделительной стены для реализации зазора. Ширина защитного оката - 0,230 м, а общая высота 7,9 м. Для подвода в область зазора холодного дутья используют трубопровод диаметром 0,08 м, снабженный изоляцией из асбестового волокна.Example. In a blast furnace with an inner diameter of 8.44 m, a nozzle height of 40.64 m, equipped with a lenticular-shaped combustion chamber with a total height of 36.7 m (in relation to the operating conditions of a blast furnace with a volume of 3200 m ³ ), the protective okat is laid out at a distance of 0.017 m from separation wall for the implementation of the gap. The width of the protective okat is 0.230 m, and the total height is 7.9 m. A pipeline with a diameter of 0.08 m equipped with asbestos fiber insulation is used to supply cold blast to the gap.

Использование предлагаемого воздухонагревателя обеспечивает по сравнению с существующими следующие преимущества: полная ликвидация выбросов в атмосферу оксида углерода (CO), снижение на 50% выбросов оксидов азота (NO_x), снижение на 3-4% недожога газообразного топлива, повышение стойкости разделительной стены воздухонагревателя, а также эффективности и надежности работы аппарата в целом.Using the proposed heater provides the following advantages over existing ones: complete elimination of carbon monoxide (CO) emissions into the atmosphere, a 50% reduction in nitrogen oxide (NO _x ) emissions, a 3-4% reduction in gaseous fuel underburning, and an increase in the durability of the air heater’s dividing wall, as well as the efficiency and reliability of the apparatus as a whole.

Claims

A blast furnace heater comprising a nozzle chamber, an internal combustion chamber with a hot blast fitting, a dividing wall and a protective bore installed from the bottom of the combustion chamber with a gap relative to the dividing wall, the gap being connected by a pipe located in the bottom of the combustion chamber to a cold blast fitting for feeding it into the gap region, characterized in that the protective okat is located up to the level of the upper edge of the hot blast fitting, the gap width is 0.002 - 0.0025 of the inner diameter of the air heater, and the pipeline is equipped with a control valve.