Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ОТОПЛЕНИЯ ПЕЧИ

Изобретение относится к металлургии и может использоваться для отопления печей, предназначенных для нагрева металла. Наиболее близким к предлагаемому техническому решению по своей сущности и достигаемому результату является способ отопления печи, оборудованной горизонтальными инжекционными горелками, использующий топливный газ с теплотой сгорания до 1800 ккал/м³ (см. Справочник конструктора печей прокатного производства. /Под ред. В.М.Тымчака, т. II с.803, схема ХХХ-8). Согласно описанию указанный способ отопления печи включает в себя просасывание нагреваемого воздуха через рекуператор и его подачу в смеситель горелки посредством инжекции, побудителем которой является газ, истекающий из газового сопла горелки. Недостатками указанного способа отопления печи являются:
- невозможность использования топливного газа с высокой теплотой сгорания, например природного газа. При использовании в качестве топлива природного газа энергии его истечения из сопла (со скоростью звука 300 м/с) недостаточно для подсасывания необходимого количества воздуха (в данном случае нагретого) для сжигания топлива. Указанный недостаток существенно ограничивает область использования способа, не позволяя производить качественный и быстрый нагрев металла в печах;
- невозможность регулирования количества воздуха для горения, что не позволяет рационально сжигать топливо в печи, регулируя температуру и окислительный потенциал при нагреве металла;
- ограниченный диапазон регулирования расхода топлива, так как уменьшение производительности горелок приводит к просачиванию газа в воздушные коллекторы, что может привести к хлопкам и взрывам;
- указанный недостаток в части просачивания газа в воздушные коллекторы не позволяет устанавливать указанные инфекционные горелки вертикально, хотя в части компактности и рационального обслуживания горелок вертикальная их установка целесообразна.

Задача, на решение которой направлено техническое решение, - это равномерный (качественный) и быстрый нагрев заготовок металла под ковку (штамповку) или прокатку. Указанная задача решается тем, что дополнительно к существующей инжекции воздуха за счет энергии струи газа, истекающего из сопла горелки, устраивается дополнительная ступень инжекции, побудителем которой является сжатый воздух и которая позволяет регулировать количество нагретого воздуха (в данном случае просасываемого через рекуператор), подаваемого на смешение с топливным газом для его последующего сжигания.

Указанный признак способа позволяет применить, к примеру, природный газ для нагрева металла, подавая воздух в количестве 0,8-1,05 теоретически необходимого для сжигания природного газа и поддерживая указанное соотношение газа и воздуха посредством регулирования количества подаваемого побудителя инжекции (сжатого воздуха).

Указанные заявляемые признаки способа позволяют полностью сжигать природный газ до исчезновения кислорода в продуктах сгорания в горелочном тоннеле (или в пространстве печи на расстоянии до 1 м от смесителя горелки) при скорости смеси в смесителе 15-50 м/с и 3-12 м/с в горелочном тоннеле (при тепловом напряжении горелочного тоннеля до 40 млн. ккал/м³ (см. Мурзаков. Основы теории и практики сжигания газа в паровых котлах.- Энергия, 1969, с. 275). При этом благодаря предварительному и дозированному полному смешению топливного газа и воздуха получается при сжигании топливного газа, например природного, совершенно прозрачный для глаза высокотемпературный факел (2000^oС), но с очень низкой степенью черноты (ниже 0,05) (см. Справочник конструктора печей прокатного производства./ Под ред. В.М.Тымчака, т. 1, с. 40, рис.11-8). Учитывая, что степень черноты равна доле излучения от максимально возможной величины, соответствующей излучению абсолютно черного тела, указанное излучение по своей величине относительно мало (несмотря на высокую температуру продуктов сгорания) и не вызывает местного перегрева элементов нагреваемых изделий. В то же время ~90% излучаемого тепла усваивается поверхностью окружающей кладки, температура которой усредняется до технологической температуры (поддерживаемой, как правило, на 50^oС выше, чем температура нагреваемого металла, посредством регулирования расхода газа). В описанных условиях удается обеспечить быстрый и качественный нагрев металла на поду печи, так как кладка имеет высокую степень черноты (0,8), развитую поверхность и одинаковую температуру поверхности (то есть обеспечены достаточные условия для прогрева заготовок излучением с одинаковой скоростью).

Описанный эффективный нагрев заготовок возможен при использовании в качестве дополнительного побудителя инжекции у каждой горелки сжатого воздуха, так как в данном случае воздух является окислителем горючих составляющих топлива и при его использовании удается с высокой точностью поддерживать заданное соотношение газа и воздуха (регулируя указанное соотношение изменением расхода сжатого воздуха).

При этом, учитывая, что группы горелок запитываются от коллекторов сжатого воздуха и газа, расходные характеристики их зависят только от давления энергоносителя и от калибров воздушных и газовых сопел, благодаря чему параметры горения у всех горелок группы получаются совершенно одинаковые (обеспечивающими одинаковые условия нагрева заготовок).

При регулировании соотношения газа и воздуха долевое количество воздуха поддерживают равным не более 1,05 теоретически необходимого количества для сжигания газа. При увеличении количества воздуха выше указанного соотношения горение топлива становится неустойчивым, сопровождается повышенным шумом, степень черноты факела изменяется в широких пределах, что приводит к перегреву заготовок, обращенных к факелу, и недогреву удаленных от корня факела элементов садки.

Аналогично, при уменьшении долевого соотношения количества воздуха ниже 0,8 теоретически необходимого для сжигания газа факел начинает насыщаться непрозрачными продуктами неполного горения, из-за чего нарушаются как условия равномерности, так и температурный уровень нагрева заготовок. Заявленные параметры смеси газа и воздуха соблюдаются при обеспечении скорости смеси топливного газа и воздуха в смесителе горелки не ниже 15 м/с, так как при меньшей скорости возможно зажигание смеси в смесителе. В этом случае горение перемещается навстречу потоку, из-за пульсации давления при горении газ частично попадает в воздушный коллектор, что может привести к его накоплению в воздуховодах и хлопкам. При повышении скорости газа в смесителе выше 50 м/с становится затруднительно организовать зажигание газа в горелочном тоннеле, что в общем приводит к неустойчивому горению факела и обусловленному этим обстоятельством неравномерному нагреву заготовок.

Скорость смеси газа и воздуха в горелочном тоннеле должна быть в пределах 3-12 м/с для того, чтобы обеспечивалось полное сжигание смеси в горелочном тоннеле. При значении скорости смеси более 12 м/с горение смеси в горелочном тоннеле затруднительно, что приводит к пульсации и срыву факела. При значении скорости ниже 3 м/с отрицательное действие приобретают неорганизованные потоки продуктов сгорания, баллостирующие поступающую газовоздушную смесь и нарушающие организацию горения (то есть в указанных случаях условия равномерности нагрева садки нарушаются).

Сопоставительный анализ предлагаемого технического решения с известным техническим решением показывает, что заявленный способ отличается от известных способов отопления печи, а именно тем, что в дополнение к инжекции воздуха, побудителем которой является газ, истекающий из сопла инжекционной горелки, дополнительно устраивается инжекция, побудителем которой является воздух, причем указанная инжекция при скорости смеси в смесителе 15-50 м/с и горелочном тоннеле 3-12 м/с обеспечивает бесфакельное отопление печи, в том числе высококолорийным (природным) газом при долевом количестве воздуха 0,8-1,05 теоретически необходимого для сжигания газа.

Отсюда следует, что предложенное техническое решение соответствует критерию изобретения новизна.

Сравнительный анализ предложенного технического решения не только с прототипом, но и с другими техническими решениями показал, что способы использования инспекционных горелок с дополнительной инжекцией горячего воздуха посредством сжатого воздуха практически не распространены, а в сочетании с использованием в качестве топлива, например, высококалорийного газа и с регулированием соотношения газа и воздуха, обеспечивающего бесфакельное сжигание газа, не известны вообще. Отсюда следует, что заявленная совокупность существенных отличий обеспечивает получение упомянутого технического результата, что, по мнению авторов, соответствует критерию изобретения "изобретательский уровень".

Предложенный способ будет понят из следующего описания и приложенного к нему чертежа, где изображен предложенный способ (схема) отопления печи.

Согласно чертежу представлена печь 1, имеющая рабочее пространство 2 с размещенной в нем садкой 3 и удалением продуктов сгорания через трубы 4 рекуператора 5 в дымоход 6.

Печь отапливается топливным газом, подаваемым в сопла 7 инжекционных горелок 8 из газового коллектора 9 через регулирующие краны 10.

Смесители 11 горелок 8 связаны воздуховодами 12 с межтрубным пространством 13 рекуператора 5, через которое просасывается воздух, необходимый для горения топливного газа.

На воздуховодах 12 установлены воздушные инжекторы 14, куда через сопла 15 из воздушного коллектора 16 через регулирующие краны 17 подается сжатый воздух.

Смесь газа и воздуха поджигается через запальное отверстие 18 и сжигается в горелочном тоннеле 19.

Заявленный способ отопления печи реализуется следующим образом. Из коллектора 9 через кран 10 и сопло 7 в смеситель 11 подают топливный, например, высококалорийный (природный) газ. При истечении природного газа из сопел 7 со скоростью (до 250-300 м/с) в воздуховоде 12 создается разрежение, благодаря чему через межтрубное пространство 13 рекуператора 5 просасывается воздух и подается в смеситель 11.

На выходе из смесителя 11 газовоздушную смесь поджигают через запальное отверстие 18, а затем горючие составляющие топливного газа полностью сжигают в горелочном тоннеле 19.

Одновременно подают из воздушного коллектора 16 через регулирующий кран 17 сжатый воздух, который, истекая из сопла 15, создает разрежение, достаточное для дозированного расхода через смеситель 11 воздуха в долевом количестве 0,8-1,05 теоретически необходимого для сжигания газа. В этом случае при скорости 3-12 м/с смеси в горелочном тоннеле 19 происходит полное бесфакельное горение топлива таким образом, что в рабочее пространство 2 печи 1 истекают прозрачные продукты сгорания (с низкой степенью черноты, ниже 0,05 полного излучения абсолютно черного тела) и температурой 2000^oС. Далее продукты сгорания перемещаются по печи над садкой 11 и уходят через трубы рекуператора 4 в дымоход 6.

При этом регулирующим краном 10 устанавливают расход природного газа таким образом, чтобы температура кладки рабочего пространства 2 печи 1 была бы равной технологической температуре, необходимой для нагрева заготовок (примерно, на 50^o С выше, чем заданная температура нагрева металла). Следует отметить, что кладка рабочего пространства 2 печи 1, поверхность которой значительно больше эффективной поверхности садки, за счет лучистого теплообмена равномерно прогревается по всей поверхности, так как степень черноты кладки высока (равна 0,8).

Нагрев металла в указанных условиях осуществляется в основном от кладки печи также равномерно, по всей поверхности садки 3 (в силу того, что температура поверхности кладки одинакова).

При нагреве регулируют окислительный потенциал печи, изменяя подачу побудителя инжекции (сжатого воздуха) краном 17 при неизменном расходе природного газа. Как уже указывалось, таким образом, можно вести процесс при недостатке воздуха (кислорода) в печи 1 (равном 0,8 количества, теоретически необходимого для сжигания газа).

Следует, однако, отметить, что на выходе из рабочего пространства 2 печи продукты неполного горения дожигают за счет поступления в печь воздуха из окружающего пространства через щели печи. Для предотвращения попадания газа в воздуховоды 12 скорость газовоздушной смеси в смесителе 11 поддерживают не менее 15 м/с, но не более 50 м/с, так как при значениях скорости более 50 м/с смесь в горелочном тоннеле 19 не поджигается.

Как было указано выше, заявленный способ реализуется при применении в качестве топлива, в том числе природного газа, обладающего высокой температурой горения (2000^oС) и низкой степенью черноты продуктов сгорания (в пределах поддержания долевого количества воздуха, равного 0,8-1,05 теоретически необходимого для сжигания газа).

Результаты нагрева металла при использовании способа представлены в таблице (по сравнению со старой технологией).

Из таблицы видно, что при нагреве по предлагаемой технологии металл можно греть до более высокой температуры (до 1200^oС против 900^oС), при снижении удельного расхода топлива (с 2000 ккал/кг до 1000 ккал/кг), с улучшением качества нагрева (степень неравномерности температуры по длине заготовки со 100^oС до 10^oС и уменьшении количества окалины при нагреве с 2 до 0,3%).