Воздухонагреватель доменной печи

Полезная модель относится к черной металлургии, в частности к воздухонагревателям доменных печей и может быть использована в цветной и химической промышленности.

В основу полезной модели поставлена задача усовершенствовать воздухонагреватель доменной печи путем повышения эффективности теплообмена насадки за счет установки во время ремонта в новой части насадки, (устанавливаемой вместо старой изношенной части насадки на промежуточное поднасадочное устройство) новых насадочных элементов, содержащих вертикальные каналы диаметром, находящимся в пределах от 10 мм до 25 мм, и снабженных горизонтальными полуканалами.

Частичная замена изношенной верхней части насадки на более эффективную, с существенно большей удельной поверхностью нагрева (с меньшим диаметром вертикальных каналов, дополнительно снабженных горизонтальными каналами) и с большим коэффициентом теплоотдачи, позволяет увеличить мощность воздухонагревателя и температуру горячего дутья, а также снизить за счет меньшей материалоемкости верхней части насадки материалоемкость насадки в целом.

Поставленная задача решается тем, что в воздухонагревателе доменной печи, содержащем кожух 1, футеровку 2, поднасадочное устройство 3, горелку 4 с патрубками подвода газа 6 и воздуха 5, воздухопроводы и клапаны горячего и холодного дутья, дымовые и перепускные клапаны, дымовой боров 13, дымовую трубу и насадку, состоящую из двух и более ярусов из установленных вперевязку и снабженных фиксирующими впадинами и выступами насадочных элементов 7 со сквозными вертикальными каналами, причем в верхнем ярусе насадки 11 установлены насадочные элементы 7, диаметр вертикальных каналов 8 которых меньше, чем диаметр вертикальных каналов насадочных элементов, установленных в нижнем ярусе 12, согласно полезной модели, верхний ярус насадки 11 содержит насадочные элементы 7 со сквозными вертикальными каналами с диаметром, находящимся в пределах от 10 мм до 25 мм, причем каждый вертикальный канал 8 дополнительно снабжен горизонтальными полуканалами 9, размещенными на верхней и нижней поверхностях насадочного элемента 7, а насадочные элементы 7 верхнего яруса 11 установлены на промежуточное поднасадочное устройство 10, установленное на верх нижнего яруса насадки 12, причем промежуточное поднасадочное устройство 10 содержит опорные блоки 13, выполненные в виде плит со сквозными вертикальными каналами 14, расположенными соосно с вертикальными каналами 8 насадочных элементов 7 верхнего яруса насадки 11, при этом расстояние между вертикальными каналами 14 опорных блоков 13 и их диаметр равны соответствующим расстояниям и диаметрам насадочных элементов 7, расположенным на верхнем ярусе насадки 11, при этом на верхней поверхности плиты опорного блока 13 расположены фиксирующие впадины, соосные фиксирующим выступам насадочных элементов 7 верхнего яруса насадки 11, а на нижней поверхности плиты опорного блока 13 расположены установочные выступы 15, при этом сумма площадей поверхностей плит опорных блоков равна площади горизонтального сечения насадки.

Кроме того, промежуточное поднасадочное устройство установлено на расстоянии Н от верха насадки, находящемся в пределах Н = 1/3÷1/2 общей высоты насадки, а соотношение диаметров вертикальных каналов к диаметрам горизонтальных полуканалов находится в пределах d_в.к:d_г..к=2,86÷1,54. 3 п.ф-лы, 5 ил.

Полезная модель относится к черной металлургии, в частности к воздухонагревателям доменных печей и может быть использована в цветной и химической промышленности.

Известен воздухонагреватель доменной печи, насадка которого имеет защитную зону, а именно, часть насадки, которая находится на расстоянии 0,28-0,37 от верхней кромки насадки и имеет высоту 0,0115-0,0153 от общей высоты насадки воздухонагревателя, выполненную с криволинейными каналами, оси которых составляют ломаную линию с переломом оси канала 110-130⁰ (см. А.С.СССР 1602876 А1, МПК 5 С21В 9/00, опуб. Бюл. 40 от 30.10.1990 г.).

В период нагрева в подкупольном пространстве и в верхней части насадки развиваются высокие температуры, приводящие к оплавлению слоя фаялита Fe ₂SiO₃, образовавшегося в результате реакции динаса (SiO₂) насадочного блока с пылью газа и воздуха, в котором содержатся оксиды FeO в верхних 5-6 м насадки. Воздухонагреватель останавливают на ремонт обычно, когда воздухонагреватель снижает тепловую мощность вдвое, при этом при разборке верхних рядов насадки наличие работоспособной насадки составляет 60-70%.

При ремонте насадки наличие участка насадки с криволинейными каналами позволяет сохранить от загрязнения работоспособную часть насадки, поскольку образованные при демонтаже насадки пыль, бой и крошка огнеупорного материала задерживаются в каналах этого участка.

Недостатком аналога является резкое увеличение гидравлического сопротивления и, как следствие, уменьшение мощности воздухонагревателя и температуры горячего дутья в ходе его эксплуатации. Кроме того, применение указанной переходной зоны между старой насадкой, которая заменяется, и новой, которая заменяет сношенную часть, будет малоэффективным, так как переходная зона будет накапливать пыль и обломки насадки и уменьшать мощность воздухонагревателя.

Известны также двухъярусные насадки воздухонагревателя фирмы «Дидье-Верке» с насадками d=28/32мм, причем в верхней части насадки толщина простенка между отверстиями насадочного блока больше, чем в нижней части насадки воздухонагревателя, поскольку в верхней части насадки используется насадочные изделия с малыми отверстиями и утолщенными простенками (см. сборник статей международной конференции «Черная металлургия России и стран СНГ в XXI веке», Москва, июнь 6-10, 1994 г., статья «Современная конструкция блока воздухонагревателя доменных печей», Т. Кроне, Б. Патейски, стр. 116-124, М. «Металлургия», 1994 г.).

Существенными признаками прототипа, совпадающими с существенными признаками заявляемой полезной модели, являются кожух, футеровка, поднасадочное устройство, горелка с патрубками подвода газа и воздуха, воздухопроводы и клапаны горячего и холодного дутья, дымовые и перепускные клапаны, дымовой боров, дымовая труба и насадка, состоящая из двух и более ярусов из установленных вперевязку и снабженных фиксирующими впадинами и выступами насадочных элементов со сквозными вертикальными каналами, причем в верхнем ярусе насадки установлены насадочные элементы, диаметр вертикальных каналов которых меньше, чем диаметр вертикальных каналов насадочных элементов, установленных в нижнем ярусе.

Недостатками прототипа является относительно небольшой диаметр отверстия насадочного блока в верхнем ярусе насадки, следствием чего является относительно недостаточная теплоотдача между насадочным блоком и дымовыми газами и дутьем соответственно в периоды «нагрева» и «дутья», относительно небольшая удельная поверхность нагрева, а также появление со временем эксплуатации в вертикальных каналах «пробки» от оплавления пылью воздуха и доменного газа, сколов огнеупоров и наличие обычно неравномерного температурного поля в насадке по ее поперечному сечению, которое достигает для воздухонагревателей с внутренней камерой сгорания 220÷420°С на разных горизонтах насадки в период «нагрева», и 350÷600°С в период «дутья» при максимуме температур в центре насадки вследствие отсутствия горизонтальных полуканалов, соединяющих вертикальные каналы насадочных блоков. (И.Г.Бянкин, В.Д.Коршиков, С.В.Скаков, А.Ю.Кривцов. «Исследования влияния неравномерности распределения теплоносителей в насадке доменного воздухонагревателя на эффективность его работы». Тезисы докладов XV областной научно-технической конференции «Повышение эффективности металлургического производства». Липецк, ЛГТУ 2006, стр. 29).

Кроме того, к недостаткам следует отнести недостаточную надежность службы насадки, что также обусловлено тем, что в ней нет горизонтальных каналов в середине отдельных блоков насадочных элементов, которые позволили бы при загрязнении какого-либо вертикального канала на некотором участке «питать» его газом с помощью горизонтальных каналов из соседних (смежных) вертикальных каналов.

В основу полезной модели поставлена задача усовершенствовать воздухонагреватель доменной печи путем повышения эффективности теплообмена насадки за счет установки во время ремонта в новой части насадки, (устанавливаемой вместо старой изношенной части насадки на промежуточное поднасадочное устройство) новых насадочных элементов, содержащих вертикальные каналы диаметром, находящимся в пределах от 10 мм до 25 мм, и снабженных горизонтальными полуканалами.

Частичная замена изношенной верхней части насадки на более эффективную, с существенно большей удельной поверхностью нагрева (с меньшим диаметром вертикальных каналов, дополнительно снабженных горизонтальными каналами) и с большим коэффициентом теплоотдачи, позволяет увеличить мощность воздухонагревателя и температуру горячего дутья, а также снизить за счет меньшей материалоемкости верхней части насадки материалоемкость насадки в целом.

Поставленная задача решается тем, что в воздухонагревателе доменной печи, содержащем кожух 1, футеровку 2, поднасадочное устройство 3, горелку 4 с патрубками подвода газа 6 и воздуха 5, воздухопроводы и клапаны горячего и холодного дутья, дымовые и перепускные клапаны, дымовой боров 13, дымовую трубу и насадку, состоящую из двух и более ярусов из установленных вперевязку и снабженных фиксирующими впадинами и выступами насадочных элементов 7 со сквозными вертикальными каналами, причем в верхнем ярусе насадки 11 установлены насадочные элементы 7, диаметр вертикальных каналов 8 которых меньше, чем диаметр вертикальных каналов насадочных элементов, установленных в нижнем ярусе 12, согласно полезной модели, верхний ярус насадки 11 содержит насадочные элементы 7 со сквозными вертикальными каналами 8 с диаметром, находящимся в пределах от 10 мм до 25 мм, причем каждый вертикальный канал 8 дополнительно снабжен горизонтальными полуканалами 9, размещенными на верхней и нижней поверхностях насадочного элемента 7, а насадочные элементы 7 верхнего яруса 11 установлены на промежуточное поднасадочное устройство 10, установленное на верх нижнего яруса насадки 12, причем промежуточное поднасадочное устройство 10 содержит опорные блоки 13, выполненные в виде плит со сквозными вертикальными каналами 14, расположенными соосно с вертикальными каналами 8 насадочных элементов 7 верхнего яруса насадки 11, при этом расстояние между вертикальными каналами 14 опорных блоков 13 и их диаметр равны соответствующим расстояниям и диаметрам насадочных элементов 7, расположенным на верхнем ярусе насадки 11, при этом на верхней поверхности плиты опорного блока 13 расположены фиксирующие впадины, соосные фиксирующим выступам насадочных элементов 7 верхнего яруса насадки 11, а на нижней поверхности плиты опорного блока 13 расположены установочные выступы 15, при этом сумма площадей поверхностей плит опорных блоков равна площади горизонтального сечения насадки.

Кроме того, промежуточное поднасадочное устройство установлено на расстоянии Н от верха насадки, находящемся в пределах Н=1/3÷1/2 общей высоты насадки, а соотношение диаметров вертикальных каналов к диаметрам горизонтальных полуканалов находится в пределах d_в.к:d_г..к=2,86÷1,54.

Причинно-следственная связь между существенными признаками заявляемой полезной модели, и достигаемым техническим результатом, заключается в следующем.

Как известно, в процессе эксплуатации верхняя часть насадки выходит из строя и воздухонагреватель останавливают на ремонт.

Проще всего было бы заменить изношенную часть насадки точно такой же, с таким же диаметром вертикальных каналов, но новой. Однако это нерационально. В условиях, когда большинство воздухонагревателей доменных печей имеет насадку с вертикальными каналами диаметром 40 мм и уже идет производство насадочных изделий с вертикальными каналами диаметром 26/35;30;20 мм, то не имеет смысла при ремонте менять всю насадку сверху донизу на одну из указанных новых.

Оснащение воздухонагревателя доменной печи насадкой, содержащей насадочные блоки с малыми размерами диаметров вертикальных каналов, а именно такой, диаметр вертикальных каналов которой находится в пределах d_в.к. =10÷25мм, причем каждый вертикальный канал блока снабжен горизонтальными полуканалами, обеспечивает насадку высокой удельной поверхностью нагрева в пределах от 78 до 56 м²/м ³.

Значение d_в.к должно быть в пределах 10÷25мм потому, что при меньших чем 10 мм значениях d_в.к недопустимо возрастает сопротивление прохождению газов в насадке и при строительстве воздухонагревателя и его дальнейшей эксплуатации сложно избежать влияния последствий деформации каналов насадки от крипа (ползучести), а при больших чем 25 мм значениях этого диаметра ощутимо увеличивается материалоемкость насадки и воздухонагревателя в целом.

Благодаря малым размерам диаметров вертикальных каналов верхнего яруса насадки, его высокой удельной поверхности нагрева и наличию в вертикальных каналах блоков горизонтальных полуканалов сокращается объем (масса) насадки верхнего яруса и материалоемкость воздухонагревателя в целом.

При этом, если диаметр вертикального канала d_в.к>2,86d_г.к., то вихри газа, образующиеся в горизонтальном канале, сложенном из двух полуканалов, недостаточно интенсифицируют конвективный теплообмен в вертикальном канале, а если d_в..к<1,54 d_г..к., то это значительно ослабит вертикальное сечение блока насадки и существенно снизит его стойкость.

Использование в конструкции воздухонагревателя доменной печи вместо изношенной части насадки более эффективной насадки с существенно большей удельной поверхностью нагрева (с меньшим, чем 25 мм диаметром вертикальных каналов, снабженных горизонтальными каналами), и с большим коэффициентом теплопередачи, требует оснащения воздухонагревателя промежуточным поднасадочным устройством для согласования работы новой и старой частей насадки. Для соединения новой и старой насадок между ними устанавливается промежуточное поднасадочное устройство с вертикальными каналами. При этом остается существующее основное поднасадочное устройство и часть насадки, находящаяся в рабочем состоянии.

Выполнение промежуточного поднасадочного устройства из опорных элементов - керамических блоков, установленных вплотную друг к другу за счет того, что сумма опорных горизонтальных площадей плит опорных блоков равна площади горизонтального сечения насадочной камеры, и снабженных в нижней части установочными выступами, обеспечивает образование промежуточного поднасадочного устройства, благодаря которому промежуточное поднасадочное устройство соединяется с вертикальными каналами существующей насадки.

Благодаря тому, что опорные блоки имеют сквозные вертикальные каналы, расположенные соосно с вертикальными каналами насадочных элементов верхнего яруса, при этом расстояние между вертикальными каналами опорных блоков и их диаметр равны соответствующим расстояниям и диаметрам насадочных элементов, расположенных на верхнем ярусе, с параметрами (шаг между отверстиями и размер отверстий), равными соответственным размерам насадочных изделий верхнего яруса насадки, то при соосной установке на опорные блоки промежуточного поднасадочного устройства насадочных элементов верхнего яруса насадки образуются сплошные вертикальные каналы (вертикальные каналы промежуточного поднасадочного устройства является продолжением вертикальных каналов верхнего яруса насадки).

Таким образом, промежуточное поднасадочное устройство обеспечивает переход из вертикальных каналов малого диаметра новой кладки на вертикальные каналы большого диаметра той части насадки, которая сохраняется, с минимальной потерей вертикальных каналов при установке промежуточного поднасадочного устройства.

Расстояние Н от верха насадки, на которой установлено промежуточное поднасадочное устройство, находится в пределах Н=1/3÷1/2 общей высоты насадки, что обусловлено статистикой износа насадки воздухонагревателя доменной печи.

Соотношение диаметров вертикальных каналов к диаметрам горизонтальных каналов находится в пределах 2,86÷1,54 и отвечает давлению доменного газа в коллекторе, достаточном для обеспечения тепловой мощности, необходимой для получения температуры горячего дутья 1250-1350°С.

Таким образом, частичная замена изношенной верхней части насадки на более эффективную с существенно большей удельной поверхностью нагрева (с меньшим диаметром вертикальных каналов, дополнительно снабженных горизонтальными каналами) и большим коэффициентом теплоотдачи позволяет увеличить мощность воздухонагревателя и температуру горячего дутья, а также снизить за счет меньшей материалоемкости верхней части насадки материалоемкость воздухонагревателя в целом.

Воздухонагреватель доменной печи схематично представлен на фиг.1, на фиг.2 представлен элемент насадки с вертикальными и горизонтальными каналами, на фиг.3 - опорный блок промежуточного поднасадочного устройства.

Воздухонагреватель доменной печи содержит кожух 1, футеровку 2, поднасадочное устройство 3, горелку 4 с патрубками подвода газа 6 и воздуха 5, воздухопроводы и клапаны горячего и холодного дутья, дымовые и перепускные клапаны, дымовой боров 13, дымовую трубу и насадку. Насадка состоит из двух и более ярусов из установленных вперевязку и снабженных фиксирующими впадинами и выступами насадочных элементов 7 со сквозными вертикальными каналами, причем в верхнем ярусе насадки 11 установлены насадочные элементы 7, диаметр вертикальных каналов 8 которых меньше, чем диаметр вертикальных каналов насадочных элементов, установленных в нижнем ярусе 12. Верхний ярус насадки 11 содержит насадочные элементы 7 со сквозными вертикальными каналами 8 с диаметром, находящимся в пределах от 10 мм до 25 мм, причем каждый вертикальный канал 8 дополнительно снабжен горизонтальными полуканалами 9, размещенными на верхней и нижней поверхностях насадочного элемента 7, при этом соотношение диаметров вертикальных каналов к диаметрам горизонтальных полуканалов находится в пределах d_в.к :d_г..к 2,86÷1,54.

Насадочные элементы 7 верхнего яруса 11 установлены на промежуточное поднасадочное устройство 10, установленное на верх нижнего яруса насадки 12, на расстоянии Н от верха насадки, находящемся в пределах Н=1/3÷1/2 общей высоты насадки. Промежуточное поднасадочное устройство 10 содержит опорные блоки 13, выполненные в виде плит со сквозными вертикальными каналами 14, расположенными соосно с вертикальными каналами 8 насадочных элементов 7 верхнего яруса насадки 11, при этом расстояние между вертикальными каналами 14 опорных блоков 13 и их диаметр равны соответствующим расстояниям и диаметрам насадочных элементов 7, расположенным на верхнем ярусе насадки 11. На верхней поверхности плиты опорного блока 13 распложены фиксирующие впадины, соосные фиксирующим выступам насадочных элементов 7 верхнего яруса насадки 11, а на нижней поверхности плиты опорного блока 13 расположены установочные выступы 15, при этом сумма площадей поверхностей плит опорных блоков равна площади горизонтального сечения насадки.

Воздухонагреватель доменной печи работает следующим образом.

В период нагрева дымовые газы из горелки 4 поступают в подкупольное пространство 16, далее в верхний ярус насадки 11, который был заменен во время модернизации, далее в промежуточное поднасадочное устройство 10, переходят в нижний ярус насадки 12, находящийся в удовлетворительном состоянии и поэтому его не меняют, далее в поднасадочное пространство 3, дымовой канал 17, боров 13 (шибер 18 открыт).

В период дутья холодное дутье из коллектора 19 (шибер 18 закрыт) поступает в поднасадочное пространство, проходит нижний ярус насадки 12, промежуточное поднасадочное устройство 10, верхний ярус насадки 11 и далее через штуцер горячего дутья 20 в тракт горячего дутья и доменную печь.

Благодаря небольшим размерам диаметров вертикальных сквозных каналов насадки, высокой удельной поверхности нагрева верхнего яруса и наличию в вертикальных каналах верхнего яруса насадки горизонтальных каналов, сокращается объем (масса) насадки верхнего яруса и материалоемкость воздухонагревателя в целом.

Таким образом, частичная замена изношенной верхней части насадки на более эффективную с существенно большей удельной поверхностью нагрева (с меньшим диаметром вертикальных каналов, дополнительно снабженных горизонтальными каналами) и большим коэффициентом теплоотдачи позволяет увеличить мощность воздухонагревателя и температуру горячего дутья, а также снизить за счет меньшей материалоемкости верхней части насадки материалоемкость воздухонагревателя в целом.

1. Воздухонагреватель доменной печи, содержащий кожух, футеровку, поднасадочное устройство, горелку с патрубками подвода газа и воздуха, воздухопроводы и клапаны горячего и холодного дутья, дымовые и перепускные клапаны, дымовой боров, дымовую трубу и насадку, состоящую из двух и более ярусов из установленных вперевязку и снабженных фиксирующими впадинами и выступами насадочных элементов со сквозными вертикальными каналами, причем в верхнем ярусе насадки установлены насадочные элементы, диаметр вертикальных каналов которых меньше, чем диаметр вертикальных каналов насадочных элементов, установленных в нижнем ярусе, отличающийся тем, что насадочные элементы верхнего яруса установлены на промежуточное поднасадочное устройство, установленное на верх нижнего яруса насадки, причем промежуточное поднасадочное устройство содержит опорные блоки, выполненные в виде плит со сквозными вертикальными каналами, расположенными соосно с вертикальными каналами насадочных элементов верхнего яруса насадки, при этом расстояние между вертикальными каналами опорных блоков и их диаметр равны соответствующим расстояниям и диаметрам насадочных элементов, расположенных на верхнем ярусе насадки, при этом на верхней поверхности плиты опорного блока расположены фиксирующие впадины, соосные фиксирующим выступам насадочных элементов верхнего яруса насадки, а на нижней поверхности плиты опорного блока расположены установочные выступы, при этом сумма площадей поверхностей плит опорных блоков равна площади горизонтального сечения насадки.

2. Воздухонагреватель доменной печи по п.1, отличающийся тем, что промежуточное поднасадочное устройство установлено на расстоянии Н от верха насадки, находящемся в пределах Н=1/3÷1/2 общей высоты насадки.

3. Воздухонагреватель доменной печи по п.1, отличающийся тем, что соотношение диаметров вертикальных каналов к диаметрам горизонтальных полуканалов находится в пределах d_в.к:d_г.к=2,86÷1,54.