CC BY
151
УДК 669.187.242
Инновационные технологии в конструировании газовых двухрядных инжекционных горелок с единичными
смесителями
Вершинин Н.Н., Трусов В.А., Селиванов Е.П., Трусов В.В.
Приведена классификация и назначение газовых инжекционных горелок, описаны недостатки серийно выпускаемых горелок с единичными смесителями. Рассмотрены вопросы проектирования газовых инжекционных горелок с единичными смесителями. В статье рассмотрены исследования по совершенствованию конструкции горелок, улучшению процесса смешения газа с воздухом, увеличению срока службы. Описаны экспериментальные работы по получению различных длин факела при горении газовоздушной смеси, увеличение мощности, введение в конструкцию горелки стабили -зирующего туннеля, который увеличивал бы долговечность горелки и улучшал процесс обмуровки горелок в тепловом или плавильном агрегате, а также введение кожуха, который улучшает процесс набивки огнеупорной набивной массой. Приведено описание устройства для регулирования расхода воздуха.
The classification and designation of injection gas burners are described shortcomings of commercially available burners with individual taps. The problems of design of gas injection burners with individual taps. The article deals with research on improving the design of the burners, improving the process of mixing gas and air, increase service life. Describes experimental work on the production of various lengths of flame when burning gas-air mixture, increasing the power, introduction to design the burner stabilized ionizing tunnel, which would increase the longevity of the burner and improves refractory burners in the thermal or smelting unit, as well as the introduction of housing, which improves the process of printing refractory ramming mass. The description of the device to control the flow of air.
Ключевые слова: горелка, газ, воздух, смесители, насадка, горение, факел, надёжность, долговечность, котёл, печь, сопла, горелочный туннель, кожух, набивная масса, топливо, газовоздушная смесь.
Keywords: burner, gas, air, mixers, nozzle, burning torch, reliability, durability, boiler, furnace, nozzles, burner tunnel, guard, ramming mass, fuel, gas-air mixture.
Основным назначением горелок является организация процесса горения топлива так, чтобы обеспечить заданный, экономически целесообразный режим работы печи. Для достижения этой цели горелка должна обеспечить:
1. подвод и смешение между собой необходимых количеств топлива и воздуха;
2. полноту сжигания топлива в пределах рабочего пространства печи;
1
3. сжигание топлива с образованием такого пламени, которое может обеспечить требуемый по технологическим условиям уровень теплопередачи в рабочем пространстве печи.
Таким образом, весь цикл, который составляет процесс сжигания топлива (смешение-горение-теплопередача), должен быть выполнен с наивысшей эффективностью полезного действия [1].
Основным классификационным признаком горелок является способ смешения газа с воздухом. По этому признаку горелки делят на три большие группы: с полным предварительным смешением газа и воздуха; с
частичным предварительным смешением газа и воздуха; с внешним смешением.
Горелки с полным предварительным смешением (инжекционные горелки). В инжекционных горелках дающих хорошее предварительное смешение топлива с воздухом, необходимая полнота сгорания достигается при наименьшем по сравнению с горелками других типов коэффициенте избытка воздуха. Уменьшение коэффициента избытка воздуха влечет за собой увеличение температуры горения. Поэтому горелки с
предварительным смешением для аналогичного топлива обеспечивают наивысшую температуру горения. Предварительное смешение газа и воздуха требует специальных устройств-смесителей, которые могут быть выполнены или заодно с горелкой, или отдельно от нее.
Коллектив авторов занимался вопросами проектирования и
изготовления газовых инжекционных горелок широкого применения. Особое внимание уделялось газовым инжекционным горелкам среднего давления с единичными элементами. Горелки газовые инжекционные с единичными элементами среднего давления полного предварительного смешения, выпускаемые промышленностью, предназначены для работы на природном газе и устанавливаются в камерах горения котлов и других теплоиспользую -щих агрегатах. К числу недостатков таких горелок следует отнести:
- недостаточное смешение природного газа и воздуха на выходе из смесителя, что приводит к неполному сгоранию газа;
- малый срок службы горелок из-за выгорания огнеупорной набивки, ее обсыпки и, как следствие, оплавление концов смесителей горелки;
- малая толщина смесителей горелки (3 мм), что приводит к их быстрому оплавлению.
В исследованиях по совершенствованию конструкции горелок авторы добивались интенсификации смешения газа и воздуха и увеличение срока службы горелки. В результате многочисленных расчётов и экспериментов авторы сконструировали горелку, в которой имеется шесть толстостенных единичных смесителя которые имеют на конце диски с отверстиями, позволяющие производить дополнительное перемешивание газа и воздуха. Представленная на рис. 1 инжекционная горелка представляет собой шесть единичных толстостенных элемента (смесителя) 1 объединенных общей
2
*Ы* *Ы* *Ы* /Л /Л
сварной газораспределительной камерой 2 с приваренным штуцером 3, по которому подается природный газ.
Использование таких горелок позволяет в 2,5-3 раза повысить срок службы горелки. Каждый единичный элемент является смесителем специальной конструкции и представляет собой толстостенную трубу, в которой имеются четыре сопла 4. Диаметр сопел 4 и диаметр смесителя 1 выбирают исходя из условий обеспечения расчетного расхода газа одним смесителем. Каждый смеситель имеет канал 5, через который инжектируется воздух и попадает в камеру смешения 6
Каждый смеситель 1 в нижней части имеет расточку, в которую вставляется диск 7 с периферийными отверстиями (а) и диск 8 с центральным отверстием (б). Оба диска фиксируются кольцами 9. Газовоздушная смесь выходит через перфорированную решетку 10, которая приварена к торцу смесителя 1. Все элементы смесителя изготовлены из жаростойкого материала. Горелка работает следующим образом. Газ под давлением подается через канал штуцера 3 в газораспределительную камеру 2. Вытекающие из газовых сопел 4 струи газа инжектируют из атмосферы воздух, необходимый для горения, который по каналу 5 попадает в камеру 6 предварительного смешения, где происходит предварительное смешение газа и засасываемого воздуха. Окончательное смешение газа и воздуха происходит в камерах окончательного смешения 11 и 12.
Такое конструктивное исполнение смесителя позволяет достигнуть высокой степени перешивания газа с воздухом за счет неоднократного
3
разделения потока смеси и последующего встречно пересекающего перемешивания. Сгорание основной части газовоздушной смеси происходит за перфорированной решеткой в горелочном туннеле, остальной части в камере горения котла или промышленной печи. Следующим этапом совершенствования конструкции инжекционной горелки была разработка газовой инжекционной горелки с четырьмя смесителями, дающая при работе короткий завихрённый факел. На рисунке 2 представлена схематично газовая
инжекционная горелка, в которой каждый смеситель имеет насадку с внутренними винтовыми лопатками [2]. Насадки навинчены в смесителях по резьбе и служат для окончательного смешения газового и воздушного потока, завихрения и полного сгорания в стабилизирующем туннеле и камере горения теплового агрегата (котла, термической или плавильной печи). Горелка работает следующим образом. Газ под давлением подаётся через штуцер 4 в газораспределительную камеру 3. Вытекающие из газовых сопел 5 струи газа по каналу 7 смесителя 1 инжектируют из атмосферы воздух, необходимый для горения. В каждом смесителе 1 в его верхней части (до насадок 2) происходит предварительное смешение газа и засасываемого воздуха, а окончательное смешение и завихрение происходит в сменных насадках 2 с винтовыми лопатками 6.
Сгорание основной части газовоздушной смеси происходит за насадкой 2. Необходимым условием нормальной работы горелки является наличие разряжения в камере горения. При длительной работе горелок (в течение нескольких лет) насадки 2 постепенно могут уменьшаться по длине, сгорать. В этом случае их легко можно заменить новыми (отвинтить старые и привинтить новые). Практика показала, что предлагаемая горелка является
4
самой оптимальной по размерам и тепловой мощности. Кроме использования таких горелок в котлах, термических, плавильных печах, их можно использовать в литейных цехах для нагрева кокилей, изложниц, пресс-форм, а также в строительстве для разогрева битума, при ремонте дорог, при ремонте лодок и катеров. Она сохраняет работоспособность в широком интервале давления природного газа (от 0,03 до 0,12 МПа). В двух описанных выше горелках для нормальной работы необходимо наличие горелочного туннеля.
Задачей следующих экспериментальных работ являлось получение длинного факела при горении газовоздушной смеси, увеличение срока службы горелки, увеличение мощности, введение в конструкцию горелки стабилизирующего туннеля, который увеличивал бы долговечность горелки и улучшал процесс обмуровки горелок в тепловом или плавильном агрегате. Поставленная задача решалась следующим образом. Для увеличения мощности горелки были взяты восемь единичных смесителя толстостенных и длиннее чем у предыдущих горелок. Смесители получались методом литья, причём имели на внутренней поверхности литые ребра. Характерной особенностью конструкции разработанной горелки стал приваренный к газораспределительной камере кожух, в который набивается огнеупорная набивная масса. Кроме того, к газораспределительной камере приварен стабилизирующий пламя туннель. Таким образом, инжекционная горелка представляет собой восемь единичных толстостенных элемента объединенных общей сварной газораспределительной камерой, к которой также как и в предыдущих горелках приварен штуцер, по которому подается природный газ. Использование разработанной горелки позволяет
значительно в несколько раз повысить срок службы по сравнению с горелками, аналогичного типа выпускаемые промышленностью. Каждый единичный элемент является смесителем - отливкой специальной конструкции, в которой просверлены четыре сопла. Диаметр сопел и диаметр смесителя выбираются исходя из условий обеспечения расчетного расхода газа одним смесителем. Смесители в нижней части имеют ребра, которые позволяют при сгорании газовоздушной смеси получить длинный факел, что особенно важно для использования горелок с такими смесителями в больших котлах или больших газовых ванных отражательного типа плавильных печах и других тепловых или плавильных агрегатах. К газораспределительной камере приварен по периметру кожух, выполненный из листовой стали, в который набивается огнеупорная набивная масса. Набитая огнеупорной массой горелка может просушиваться и прокаливаться отдельно до установки ее в тепловой или плавильный агрегат. На газораспределительную камеру и кожух надевается литой стабилизирующий туннель и приваривается по периметру к газораспределительной коробке [3]. Сгорание основной части газовоздушной смеси происходит в огнеупорном стабилизирующем туннеле, остальной части - в камере горения котла или печи. Практика показала, что самой оптимальной по размерам и тепловой мощности является третья конструкция
5
горелки. Её можно легко зафутеровать, перекрыть огнеупорным блоком и установить (для равномерного нагрева) несколько штук в плавильном или другом тепловом агрегате. Благодаря наличию стабилизирующего туннеля горелка может быть быстро установлена и обмурована в тепловом или плавильном агрегате. В результате многочисленных экспериментов было установлено, что можно разрабатывать конструкцию инжекционной горелки однорядную, двухрядную, трёх и четырёхрядную, в зависимости от конструкции теплового или плавильного агрегата, а также требуемой тепловой мощности. Для удобства и облегчения набивки инжекционной горелки огнеупорной набивной массой её необходимо снабжать кожухом. Для установки горелки в любом тепловом агрегате с любой толщиной стенки, следует изготавливать горелки со стабилизирующим пламя горелочным туннелем. В рассмотренных выше спроектированных и изготовленных авторами горелках недостатком является невозможность регулирования расхода воздуха. Разные газовые месторождения имеют различный состав природного газа, следовательно, нужно проектировать такую горелку, в которой был бы механизм (устройство) регулирования расхода воздуха. Такую горелку авторы разработали, изготовили и запатентовали [4] рис 3.
Устройство регулирования расхода воздуха состоит из двух стальных рёбер 1, приваренных к газораспределительной камере 2; регулятора 3; четырёх гаек 4; четырёх болтов 5. По стальным рёбрам 1, приваренным «заподлицо» с верхней плоскостью смесителей 6, как по «направляющим», перемещается (скользит) регулятор 3, который регулирует расход воздуха, инжектируемый в горелку при подаче в неё газа.
6
7
Список литературы
1. В.А. Кривандин, Ю.П. Филимонов Теория, конструкции и расчёты металлургических печей.-М.: Машиностроение, 1978.-359с.
2. Е.П. Селиванов, Трусов В.А., Трусова В.П., Трусов В.В. и др. Патент на изобретение № 2358198 «Горелка». Опубл. 10.06.2009. Бюл. № 16.
3. В.А. Трусов Патент на изобретение № 2365816 «Горелка». Опубл.
27.08.2009. Бюл. №24.
4. В.А. Трусов Патент на изобретение № 2406028 «Горелка». Опубл.
10.12.2010. Бюл. №34.
8
