CC BY
62
Трусов В.А., Селиванов Е.П., Трусова. В.П., Трусов В.В., Макаров В.В., Вершинин Н.Н. УВЕЛИЧЕНИЕ СТОЙКОСТИ ГАЗОВЫХ ИНЖЕКЦИОННЫХ ГОРЕЛОК С ЕДИНИЧНЫМИ СМЕСИТЕЛЯМИ
Основным назначением горелок является организация процесса горения топлива так, чтобы обеспечить заданный, экономически целесообразный режим работы печи. Для достижения этой цели горелка должна обеспечить:
подвод и смешение между собой необходимых количеств топлива и воздуха;
полноту сжигания топлива в пределах рабочего пространства печи;
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.
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 с 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 теплоиспользующих 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 и имеют на конце диски с отверстиями, которые позволяют производить дополнительное перемешивание газа и воздуха. Представленная на рис. 1 инжекционная горелка представляет собой шесть единичных толстостенных элемента (смесителей) 1 объединенных общей сварной газораспределительной камерой 2, к которой приварен штуцер 3, по которому подается природный газ.
Рис. 1
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 выбираются 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 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 инжекцион-ной горелки с четырьмя смесителями, дающая при работе короткий завихрённый факел. На рисунке 2 дана схематично газовая
инжекционная горелка в которой каждый смеситель имеет насадку с внутренними винтовыми лопатками. 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 течении 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 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, прессформ, 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, 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. 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 горелки. Её можно
Рис. 2
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 инжекци-онной горелки однорядную, двухрядную, трёх и четырёх рядную, 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 стабилизирующем пламя горелочном туннеле.
ЛИТЕРАТУРА
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. Бил. № 16
3. В.А. Трусов Патент на изобретение № 2365816 «Горелка». Опубл. 27.08.2009. Бил. №24
