Патент на изобретение №2309991

(54) СПОСОБ СЖИГАНИЯ ТОПЛИВА В НАГРЕВАТЕЛЬНОЙ ПЕЧИ И НАГРЕВАТЕЛЬНАЯ ПЕЧЬ ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

(57) Реферат:

Изобретение относится к топливным печам, применяемым в металлургии и в машиностроении для нагрева металла перед обработкой давлением и для термообработки изделий. Для подавления процесса окисления металла, сокращения выбросов в атмосферу оксидов азота и получения экономии топлива способ сжигания топлива в нагревательной печи заключается в том, что дожигание продуктов неполного сгорания осуществляют путем подачи высокоскоростного, сильно закрученного потока окислителя под высоким давлением в дожигательное устройство, имеющее вид однопроводной (с заглушенным подводом газа) плоскопламенной радиационной горелки, в котором вследствие сильной крутки происходит распад вихря и тем самым создается сильное разрежение, обеспечивающее подачу продуктов неполного сгорания в область дожигания, при этом первую стадию сжигания осуществляют в настильном факеле, распространяющемся вдоль поверхности нагреваемого металла, при значении коэффициента расхода окислителя 0,48-0,55 и при степени обогащения воздуха кислородом 0,35-0,45. Нагревательная печь содержит расположенные на боковой стенке горелки полного предварительного смешения горючего газа с окислителем, создающие настильный факел, а на ее своде и(или) боковых стенках расположены дожигательные устройства в виде однопроводных плоскопламенных радиационных горелок. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 2 ил.

Предлагаемое изобретение относится к топливным печам, предназначенным для нагрева металла перед обработкой давлением либо для термообработки металла и металлических изделий. Это могут быть как печи непрерывного действия, например методические, так и печи периодического действия.

Одним из наиболее существенных недостатков многих из этих печей является высокий угар металла, составляющий величину порядка 2% и более. Это означает, что, например, для крупной методической печи производительностью 200 т/ч потери металла составляют огромную величину – около 30 тысяч тонн в год.

Другой важной проблемой, связанной с работой топливных нагревательных печей, являются весьма значительные выбросы одного из самых опасных видов загрязнителей атмосферы – оксидов азота. Снижение этих выбросов может обеспечить получение очевидных экологического и экономического эффектов. Существует возможность одновременно, путем проведения одних и тех же мероприятий, решить обе указанные проблемы и, кроме того, получить существенную экономию топлива.

Речь идет о способе работы печи, который основан на известной двухстадийной технологии сжигания топлива и который заключается в следующем.

На первой стадии процесса в той области рабочего пространства печи, где велика опасность окисления поверхности металла, осуществляют сжигание топлива с недостатком окислителя. Если при этом в процессе сжигания используют низкие значения коэффициента расхода окислителя, может оказаться необходимым его подогрев до высоких температур либо применение достаточно высоких степеней обогащения воздуха кислородом.

На второй стадии осуществляют дожигание продуктов неполного сгорания, образовавшихся на первой стадии, таким образом, чтобы суммарный коэффициент расхода окислителя составлял величину, не меньшую 1,05. При этом, разумеется, теплота дожигания также должна быть передана нагреваемому металлу.

Известна методическая печь для прямого безокислительного нагрева металла, в которой воздух, используемый для первичного горения, подогревается до 600-800°С в металлическом рекуператоре. Для дожигания продуктов неполного сгорания предусмотрен подвод вторичного воздуха под свод печи и на поду. Подвод вторичного воздуха рассредоточен по длине и ширине печи при помощи подачи его мелкими струйками (а.с. СССР №141881).

Однако подогрев воздуха до столь высоких температур в металлическом рекуператоре требует использования дорогого жаропрочного металла для его изготовления. Для достижения приемлемой калориметрической температуры в зоне горения на первой стадии процесса двухстадийного сжигания топлива разумно использовать не высокотемпературный подогрев воздуха, а его обогащение кислородом. Это позволит, во-первых, сократить затраты на нагрев азота (эти затраты составляют величину того же порядка, что и расход тепла на нагрев металла), во-вторых, снизить выбросы NO_x за счет снижения содержания азота в воздухе. Кроме того, подача вторичного окислителя под свод и на под печи мелкими струйками не может обеспечить рациональную схему движения газов в печи, то есть движение продуктов неполного сгорания в область дожигания, гарантирующую эффективное и полное дожигание продуктов неполного сгорания, а также интенсивную передачу теплоты, выделившейся при сгорании топлива, к нагреваемому металлу.

Однако, как было указано выше, применение струйного дожигания не является удачным решением проблемы, так как не обеспечивает полное перемешивание печных газов с кислородом, а также может привести к нежелательному контакту его с нагреваемым металлом. Кроме того, приведенные значения коэффициента расхода окислителя не обеспечивают достаточную защиту поверхности нагреваемого металла от окисления и эффективное подавление образования оксидов азота. Наконец, дожигание продуктов неполного сгорания в методической зоне приводит к повышению температуры в этой зоне, что может привести к слишком быстрому нагреву металла, вызывающему опасность нарушения сплошности металла, а также к нежелательному повышению температуры дымовых газов на выходе из печи, то есть к увеличению потерь тепла и тепловому загрязнению окружающей среды.

Расчеты показывают, что при значениях коэффициента расхода окислителя 0,75-0,8 угар металла сокращается приблизительно на 60-70% для термических печей и на 20-25% для высокотемпературных нагревательных (например, методических) печей прокатного производства, а реализуемое указанным способом двухстадийное сжигание топлива позволяет уменьшить выбросы оксидов азота на порядок. При этом использование умеренных, до 35-45%, степеней обогащения кислородом воздуха, подаваемого для сжигания топлива на первой стадии, дает экономию топлива 10-15% и обеспечивает достаточное для организации эффективного дожигания содержание горючих компонентов в продуктах неполного сгорания.

Однако в научно-технической литературе имеются сведения о том, что при указанных значениях коэффициента расхода окислителя поверхность металла покрывается тонкой пленкой вюстита (FeO), трудно удаляемой при прокатке, что может приводить к увеличению брака в прокатанном металле. В связи с этим рациональным является снижение коэффициента расхода окислителя до 0,48-0,55.

Предлагается способ сжигания топлива в нагревательных и термических печах, заключающийся в том, что на первой стадии сжигания топлива этот процесс осуществляется в настильном, т.е. распространяющемся непосредственно вдоль поверхности металла факеле, образованном горелкой с полным предварительным смешением топлива и окислителя при значениях коэффициента расхода окислителя, находящихся в пределах от 0,48 до 0,55. При этом в качестве окислителя на первой стадии используется обогащенный кислородом воздух при степенях обогащения 0,35-0,45.

Указанные пределы изменения коэффициента расхода окислителя обосновываются следующими соображениями. При величине коэффициента расхода окислителя, меньшей 0,48, происходит интенсивное сажевыделение вследствие окислительного пиролиза углеводородов, что делает практически невозможным дожигание продуктов неполного сгорания на второй стадии, т.е. в методической зоне печи. При величине коэффициента расхода окислителя, большей 0,55, защита металла от окисления оказывается недостаточно эффективной.

Предлагается нагревательная печь для осуществления вышеуказанного способа сжигания топлива. На одной из ее боковых стенок расположены горелки полного предварительного смешения горючего газа с окислителем, создающие настильный факел, распространяющийся непосредственно вдоль поверхности нагреваемого металла, а на ее своде расположены дожигательные устройства в виде однопроводных плоскопламенных радиационных горелок. Дожигательные устройства в виде однопроводных плоскопламенных радиационных горелок могут быть также расположены на боковых стенках печи.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 показан поперечный разрез нагревательной печи с установленным на своде дожигательным устройством. На фиг.2. показан поперечный разрез печи, а дожигательное устройство располагается на боковой стене.

Изобретение реализуется следующим образом: горелки 3 полного предварительного смешения располагаются на одной из боковых стенок печи 2, а продукты 5 неполного сгорания движутся к противоположной стенке, передавая тепло металлу 1 за счет радиационного теплообмена и конвективной теплоотдачи. Помимо этого, они создают защитный газодинамический слой на поверхности металла 1, препятствуя непосредственному контакту продуктов полного сгорания с нагреваемым металлом 1.

Достигнув стенки печи 2, продукты неполного сгорания поднимаются по ней вверх к своду. На своде установлены устройства 4, предназначенные для дожигания продуктов 5 неполного сгорания.

Дожигательные устройства 4 могут быть также установлены на боковых стенках печи, как это показано на фиг.2.

Достаточно простой и эффективный способ дожигания продуктов неполного сгорания топлива может быть реализован путем использования известного явления распада вихря. Это явление состоит в том, что при течении высокоскоростного, сильно закрученного потока газа в цилиндрической камере в приосевой области последней создается сильное разрежение, обеспечивающее подсос окружающей среды со стороны открытого торца камеры. Если этот торец имеет вид криволинейного ультрадиффузора, выходящего на плоскость, как это имеет место в плоскопламенных горелках, то поток газа, вытекающего из камеры, будет распространяться вдоль этой плоскости.

Таким образом, предлагаемый способ дожигания продуктов неполного горения заключается в следующем. Высокоскоростной, сильно закрученный поток кислорода либо воздуха, обогащенного кислородом, под высоким давлением подают в дожигательное устройство, имеющее вид однопроводной (с заглушенным подводом газа) плоскопламенной (радиационной) горелки. В дожигательном устройстве за счет сильной крутки и под действием высоких скоростей происходит распад вихря и создается сильное разрежение в приосевой области. Под действием этого разрежения печные газы, содержащие горючие компоненты, подтекают к дожигательному устройству. Часть из них поступает в камеру горелки, где смешивается с окислителем и сгорает. Поступающие в зону дожигания газы подсасываются также в плоский настильный факел, образующийся в результате истечения закрученного потока из криволинейного диффузора дожигательного устройства. В результате теплообмена этого настильного факела с огнеупорной поверхностью горелочного камня и свода либо боковых стен печи эта поверхность разогревается до высоких температур, как это имеет место в случае плоскопламенной радиационной горелки, что обеспечивает интенсивную радиационную теплоотдачу к металлу.

Формула изобретения

1. Способ сжигания топлива в нагревательных и термических печах безокислительного нагрева металла, включающий процесс сжигания в две стадии: на первой стадии процесса в той области рабочего пространства печи, где велика опасность окисления поверхности металла, осуществляют сжигание топлива с недостатком окислителя, на второй стадии производят дожигание продуктов неполного сжигания с использованием окислителя, отличающийся тем, что дожигание продуктов неполного сгорания осуществляют путем подачи высокоскоростного, сильно закрученного потока окислителя под высоким давлением в дожигательное устройство, имеющее вид однопроводной плоскопламенной радиационной горелки, в котором происходит распад вихря и создание сильного разрежения, обеспечивающего подачу продуктов неполного сгорания в область дожигания.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что первую стадию сжигания топлива осуществляют в настильном факеле, распространяющемся вдоль поверхности нагреваемого металла.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что первую стадию сжигания осуществляют с помощью горелок полного предварительного смешения при значении коэффициента расхода окислителя 0,48÷0,55 и при использовании в качестве окислителя воздуха, обогащенного кислородом.

4. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что первую стадию сжигания осуществляют с помощью горелок полного предварительного смешения при значении коэффициента расхода окислителя 0,48÷0,55 и при использовании в качестве окислителя воздуха.

5. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что первую стадию сжигания осуществляют с помощью горелок полного предварительного смешения при значении коэффициента расхода окислителя 0,48÷0,55 и без предварительного подогрева окислителя.

6. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что первую стадию сжигания осуществляют с помощью горелок полного предварительного смешения при значении коэффициента расхода окислителя 0,48÷0,55 с предварительным подогревом окислителя.

7. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что дожигание осуществляют с использованием технически чистого кислорода.

8. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что дожигание осуществляют с использованием обогащенного кислородом воздуха.

9. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что дожигание осуществляют с использованием воздуха.

10. Нагревательная печь для безокислительного нагрева металла, содержащая горелочное устройство для сжигания топлива с недостатком окислителя и дожигательные устройства для дожигания продуктов неполного сжигания с использованием окислителя, отличающаяся тем, что горелочное устройство для сжигания топлива с недостатком окислителя выполнено в виде горелок предварительного смешения горючего газа с окислителем, а дожигательное устройство выполнено в виде однопроводной плоскопламенной радиационной горелки, реализующей распад вихря и создающей сильное разрежение в области дожигания.

11. Нагревательная печь по п.10, отличающаяся тем, что на одной из ее боковых стенок расположены горелки полного предварительного смешения горючего газа с окислителем, создающие настильный факел, распространяющийся непосредственно вдоль поверхности нагреваемого металла.

12. Нагревательная печь по п.10, отличающаяся тем, что дожигательные устройства в виде однопроводных плоскопламенных радиационных горелок расположены на своде печи.

13. Нагревательная печь по п.10, отличающаяся тем, что дожигательные устройства в виде однопроводных плоскопламенных радиационных горелок расположены на боковых стенках печи.

РИСУНКИ