CC BY
48
УДК 666.92.041 Копцев В.В.
ВЫСОКОСКОРОСТНЫЕ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ ГОРЕЛОЧНЫЕ УСТРОЙСТВА ИЗВЕСТНЯКОВООБЖИГАТЕЛЬНЫХ ВРАЩАЮЩИХСЯ ПЕЧЕЙ
Аннотация. Автором предложены конструкции новых горелочных устройств на базе сопла с центральным телом типа ГГТ (горелка тазовая турбулентная) и ГЦТ (горелка с центральным телом). В статье рассмотрены области применения горелочных устройств типа ГГТ и ГЦТ, приведены основные принципы теории высокоскоростного энергосберегающего сжигания природного газа. Разработанные горелки типа ГГТ и ГЦТ и их модификации, применяемые во вращающихся известня-ковообжиговых и цементных печах, используют кроме так называемого «нормального» горения элементы детонационного горения. Этот эффект достигается за счет образования пересекающихся скачков уплотнения с созданием мощной волны (ударной адиабаты или адиабаты Гюгонио), приводящей к ускоренному нагреву смеси. Приведены конструктивные особенности разработанных горелочных устройств, использование которых на протяжении многих лет приносит значительный экономический эффект
Ключевые слова: вращающиеся печи, известь, высокоскоростные энергосберегающие горелочные устройства, теория высокоскоростного энергосберегающего сжигания природного газа.
Известь, получаемая в результате обжига известняка, является необходимым материалом для любого сталеплавильного процесса. В большинстве случаев качественную металлургическую известь получают во вращающихся газовых известняковообжигательных печах. Громадный объем выплавляемого в Российской Федерации металла требует для своей обработки большого количества извести, и, следовательно, снижение удельных затрат при ее производстве является неизменно актуальным в плане энергосбережения. Одним из путей совершенствования технологии производства качественной металлургической извести во вращающихся газовых известняковообжигательных печах является применение высокоскоростных энергосберегающих грелочных устройств на базе сопла с центральным телом.
Автором предложены конструкции новых горелочных устройств на базе сопла с центральным телом типа ГГТ (горелка газовая турбулентная) и ГЦТ (горелка с центральным телом). В основу их конструкций положена теория, рассматривающая условия горения высокоскоростных потоков газа, позволяющая создать методику расчета высокоэффективных энергосберегающих высокоскоростных горелочных устройств на базе сопла с центральным телом [1-3]. Конструкция головки горелочного устройства типа ГЦТ подобна соплу с центральным телом турбореактивного двигателя (ТРД). Отличие предлагаемой конструкции сопла горелки с центральным телом от классического варианта сопла ТРД заключается в том, что вместо профилированных поверхностей обечайки и центрального тела используются простые в изготовлении конические поверхности, причем конфузор отсутствует. Сопло ГЦТ можно классифицировать как кольцевое сопло с нулевым наклоном минимального сечения с двойным расширением [4]. Подобные сопла с центральным телом находят, в основном, применение в авиапромышленности при изготовлении турбореактивных двигателей. Главное назначение сопла ТРД в аэродинамическом плане - создать однородный поток
газа на выходе, а сопла горелочного устройства ГЦТ -создать структуру потока, наиболее турбулизирован-ного и обладающего эжектирующими свойствами, и подготовить полученную топливно-воздушную смесь к горению. Конструкции горелок ГГТ и ГЦТ защищены патентами [5-9].
Разработанные горелки типа ГГТ и ГЦТ и их модификации, применяемые во вращающихся известня-ковообжиговых и цементных печах, используют кроме так называемого «нормального» горения элементы детонационного горения.
Нормальное горение газообразного топлива обеспечивается его подготовкой к воспламенению только за счет нагрева подготовленной горючей смеси теплопроводностью. Но в таком случае фронт горения значительно сдвигается вглубь рабочего пространства печи, что и присуще ранее существовавшим горелоч-ным устройствам. Например, при использовании нормального горения хорошо подготовленной смеси его фронт располагается на значительном расстоянии, порядка 10-30 калибров (под калибром понимается диаметр сопла горелки) от среза сопла.
Математическое моделирование гидродинамики истечения газового потока из сопла горелки с центральным телом [10-13] позволило найти рациональные значения ее геометрических параметров, обеспечивающих наилучшее смешение топлива и окислителя, а также создание пересекающихся скачков уплотнения с мощной волной (ударной адиабаты или адиабаты Гюгонио [14]), приводящей к ускоренному нагреву смеси [15]. Подобный - детонационный -нагрев смеси значительно ускоряет этот процесс, тем самым сдвигая начало зоны горения практически на срез сопла.
Опыт эксплуатации вращающихся печей показывает, что эффективность их работы в значительной степени зависит от рационального сжигания большого количества топлива, которое, в свою очередь, зависит от совершенства смешения топлива и окислителя и от температурной подготовки смеси к горению.
ЭНЕРГЕТИКА МЕТАЛЛУРГИИ
Степень внешнего смешения топлива и окислителя в горелках в основном определяется скоростью истечения основного энергоносителя (в данном случае природного газа) и условиями смешения. В предложенных автором горелочных устройствах (рис. 1 и 2) совершенная степень смешения топлива и окислителя базируется на следующем:
1) На выходе трубы горелки формируется поток газа с критической скоростью.
2) Конструкция сопла, предложенная автором, обеспечивает сверхзвуковую скорость истечения газового потока с небольшим числом Маха.
3) В сопле специальной конструкции образуются чередующиеся волны сжатия и разряжения (волны Маха). На их основе создается механизм совершенного перемешивания вдуваемого газа со спутным потоком воздуха для горения, за счет чего обеспечивается минимально достижимая величина коэффициента расхода воздуха, равная 1,02-1,03. Такой коэффициент расхода воздуха свойственен горелочным устройствам с предварительным смешением.
4) За кормовой частью усеченного конуса центрального тела образуется вихрь, что обеспечивает более полное перемешивание вдуваемого газа со спутным потоком воздуха для горения.
230
газ,
Рис. 1. Схема сопла горелки ГГТ
Горелка ГГТ эксплуатируется на печах известня-ковообжигового цеха ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» с 1998 г., а горелка ГЦТ - на печах для обжига доломитизированной извести ОАО «Магнитогорскийо цементно-обжиговый завод» с 2005 г., многолетняя эксплуатация которых дает значительный экономический эффект.
Рис. 2. Схема головки сопла с центральным телом: 1- центральное тело; 2 - обечайка; 3 - цилиндрическая часть трубы горелки; Ri - радиус штока; R2 - радиус цилиндрической трубы горелки; R3 - максимальный радиус конического центрального тела; R4 - радиус кормовой части конического центрального тела; h - минимальная ширина кольцевого зазора между обечайкой и центральным телом
Список литературы
1. Копцев В.В. Совершенствование горелочных устройств вращающихся печей // Изв. вузов. Черная металлургия. 2003. № 1. С. 52-54.
2. Копцев В.В. Мощные высокоскоростные горелочные устройства для металлургии // Сталь. 2008. № 2. С. 93-95.
3. Копцев В.В. Теория и применение горелочных устройств на базе сопла с центральным телом // Изв. вузов. Черная металлургия. 2008. № 7. С. 46-50.
4. Пирумов У.Г., Росляков Г. С. Течение газа в соплах. М.: Изд-во МГУ, 1978. 288 с.
5. Полезная модель № 14068, МПК Г 23 Д 14/00. Газовая горелка для вращающихся печей / Шатохин И.М., Копцев В.В. // Изобретения. Полезные модели. 2000. № 18. С. 532.
6. Полезная модель № 58660, МПК F 23 Д 14/00. Газовая горелка для вращающихся печей / Копцев В.В. // Изобретения. Полезные модели. 2006. № 33. С. 523.
7. Полезная модель № 61286, МПК Г 23 Д 14/00. Газовая горелка / Копцев В.В., Казаков О.В., Горбулин В.Н., Морозов А.П. // Изобретения. Полезные модели. 2006. № 34. С. 523.
8. Полезная модель № 61286, МПК F27 В 11/00. Колпаковая печь/ Копцев В.В. // Изобретения. Полезные модели. 2007. № 6. С. 608.
9. Полезная модель № 63493, МПК F23 D 114/00. Горелка - теплогенератор / Копцев В.В. // Изобретения. Полезные модели. 2007. № 15. С. 812-813.
10. Копцев В.В. Моделирование аэродинамики горелочных устройств вращающихся печей // Металлург. 2004. № 11. С. 37-41.
11. Копцев В.В., Копцев A.B. К расчету газовой горелки // Автоматизированные печные агрегаты и энергосберегающие технологии в металлургии: материалы 2-й международной научно-практической конференции, 35 декабря 2002 г. Москва, 2002. С. 181-183.
12. Копцев В.В. Исследование аэродинамики сопла горелочного устройства с центральным телом // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2006. №2 (14). С. 56-59.
13. Копцев В.В., Копцев A.B. Математическое моделирование газодинамики горелочного устройства вращающейся печи // Состояние и перспективы электротехнологии: тез. докл. Международной научно-технической конференции (XI Бенардосовские чтения), 4-6 июня 2003. Иваново, 2003. С. 95.
14. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа: учебник для вузов. Изд. 6-е, перераб. и доп. М.: Наука, 1987. 840 с.
15. Копцев В.В. Методика расчета горелочных устройств на базе сопла с центральным телом // Вестник СамГТУ. Серия «Физико-математические науки». 2007. № 1 (14). С. 148-154.
R 53
Сведения об авторе
Копцев Валерий Владимирович - канд. техн. наук, доц. каф теплотехнических и электрических систем ФГБУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова». E-mail: [email protected].
Koptsev Valery Vladimirovich - Ph.D. (Eng.), the associate professor, Heat and Electrical System Engineering department, Nosov Magnitogorsk State Technical University. E-mail: [email protected].
INFORMATION ABOUT THE PAPER IN ENGLISH
HIGH-SPEED ENERGY-EFFICIENT BURNER DEVICES BURNER ARRANGEMENTS FOR ROTARY LIME AND ROTARY CEMENT KILNS
Abstract. The author offered designs of new burners on the basis of a nozzle with the central body such as NFB (the turbulent firing burner) and CBN (the centerbody nozzle). The article deals with the application of burner's types NFB and CBN, and the basic principles of the theory of high-speed energy-efficient natural gas combustion are given. Designed burners NFB and CBN and their modifications utilized in rotary lime and rotary cement kilns use the so-called «normal» combustion as well as elements of detonation combustion. This effect is achieved through the formation of crossed shock with the creation of a powerful wave (the shock adiabat or Hugoniot adiabat), resulting in accelerated heating of the mixture. Constructive features of designed burners, which are used over the years and bring significant economic benefits, are represented.
Keywords: rotating furnaces, lime, burning apparatus of high-speed energy saving, theory of high-speed energy saving burning of natural gas.
References
1. Koptsev V.V. Sovershenstvovanie gorelochnykh ustrojstv vrashhayushhikhsya pechej [Improvement of burning apparatus of rotating furnaces]. Izv. higher education institutions. Ferrous metallurgy. 2003, no. 1, pp. 52-54.
2. Koptsev V.V. Moshhnye vysokoskorostnye gorelochnye ustrojstva dlya metallurgii [Powerful high-speed burning apparatus for metallurgy]. Steel. 2008, no. 2, pp. 93-95.
3. Koptsev V.V. Teoriya i primenenie gorelochnykh ustrojstv na baze sopla s tsentral'nym telom [The theory and use of burning apparatus on the basis of a nozzle with the central body]. Izv. Higher education institutions. Ferrous metallurgy. 2008, no. 7, pp. 46-50.
4. Pirumov U.G. Roslyakov G.S. Techenie gaza v soplakh [Gas current in nozzles]. Moscow, 1978. 288 p.
5. Shatokhin I.M., Koptsev V.V. Useful model no. 14068, MPK G 23 D 14/00. Gas torch for rotating Furnaces. Inventions. Useful models. 2000, no. 18, p. 532.
6. Koptsev V.V. Useful model no. 58660, MPK F 23 D 14/00. Gas torch for rotating Furnaces. Inventions. Useful models. 2006, no. 33. p. 523.
7. Koptsev V.V., Kozakov O.B., Gorbulin V.N., Morozov A.P. Useful model no. 61286, MPK G 23 D 14/00. Gas Torch. Inventions. Useful models. 2006, no. 34, p. 523.
8. Koptsev V.V. Useful model no. 61286 MPK F27 B 11/00 Bell-type Furnace. Inventions. Useful models. 2007, no. 6, p. 608.
9. Koptsev V.V. The useful torch model no. 63493, MPK F23 D 114/00. Heatgenerator. Inventions. Useful models. 2007, no. 15, pp. 812-813.
10. Koptsev V.V. Modelirovanie aehrodinamiki gorelochnykh ustrojstv vrashhayushhikhsya pechej [Modeling of aerodynamics of burning apparatus of rotating furnaces]. Metallurgist. 2004, no. 11, pp. 37-41.
11. Koptsev V.V., Koptsev A.V. K raschetu gazovoj gorelki [To calculation of a gas torch]. The Automated oven units and energy saving technologies in metallurgy: materials of the 2nd international scientific and practical conference. 35 December, 2002, Moscow, 2002, pp. 181-183.
12. Koptsev V.V. Issledovanie aehrodinamiki sopla gorelochnogo ustrojstva s tsentral'nym telom [Research of aerodynamics of a nozzle of the burning apparatus with the central body]. Vestnik Magnitogorskogo gosudar-stvennogo tehnicheskogo universiteta im. G.I. Wosova.[Vectnik of Nosov Magnitogorsk State Technical University]. 2006, no. 2 (14). pp. 56-59.
13. Koptsev V.V., Koptsev A.V. Matematicheskoe modelirovanie gazodinamiki gorelochnogo ustrojstva vrashhayushhejsya pechi [Mathematical modeling of gas dynamics of the burning apparatus of the rotating furnace]. Condition and electrotechnologyprospects. International scientific and technical conference (the XI Benardosovsky readings), on June 4-6, 2003, Ivanovo, 2003, pp. 95.
14. Loytsyansky L.G. Mekhanika zhidkosti i gaza: uchebnik dlya vuzov [Mek-hanika of liquid and gas]. Moscow: Science, 1987, 840 p.
15. Kopsev V.V. Metodika rascheta gorelochnykh ustrojstv na baze sopla s tsentral'nym telom [Methodik of counting burning apparatus based on nozzle with central bodi]. Vestnik SamGTU, 2007, no. 1 (14), pp. 148-154.
