Общие принципы выбора рациональных методов сжигания топлива в печах

Устройства для сжигания топлива предназначены для того, чтобы обеспечить превращение химической энергии топлива в тепловую энергию, необходимую для осуществления тех­нологических операций в рабочем пространстве печи. Метод сжигания топлива выбирают в зависимости от вида топли­ва и назначения печи.

Выбирая и размещая устройства для сжигания топлива для конкретной конструкции печи, необходимо обеспечить:

1) в рабочем пространстве печн необходимую действи­тельную температуру;

2) необходимый характер изменения температуры подлине и ширине печи;

3) подвод топлива, который соответствовал бы выбран­ному распределению температуры;

4) такой характер движения газов и теплообмена, ко­торый для данной печи является наиболее целесообразным.

Кроме перечисленных задач, при выборе устройств для сжигания топлива и систем отопления учитывают также следующие факторы: возможность использования подогре­тых газа и воздуха, надежность эксплуатации и удобство обслуживания, возможность применения автоматического регулирования и ряд других факторов, связанных с особен­ностями конструкции печей.

Устройства для сжигания газа (горелки)

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;

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, с наи­высшим коэффициентом полезного действия.

Основным классификационным признаком горелок яв­ляется способ смешения газа с воздухом. По этому призна­ку горелки делят на три большие группы:

1) с полным предварительным смешением газа и возду­ха (беспламенные горелки);

2) с частичным предварительным смешением газа и воз­духа (горелки с улучшенным смешением);

3) горелки без предварительного смешения или с внешним смешением (пламенные горелки).

К первой группе относятся такие горелки, которые обес­печивают полное смешение топлива и воздуха еще до выхода в печь. В печь (в зону горения) подают заранее подго­товленную горючую смесь; процесс горения имеет кинетический характер. Такие горелки часто называют беспламен­ными, так как заранее подготовленная топливновоздушная смесь, сгорая, почти не дает видимого пламени. Беспламен­ные горелки дают факел с малой излучательной способ­ностью, радиация такого факела быстро падает по мере удаления от горелки.

В горелках с частичным предварительным смешением к топливу предварительно (до выхода в печь) подмешивает­ся только часть воздуха, необходимого для горения.

В горелках с внешним смешением образование смеси происходит в одном объеме с горением, которое имеет диф­фузионный характер. В результате при сжигании топлива, содержащего углеводороды, образуется хорошо видимое пламя. Поэтому эти горелки часто называют пламенными.

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. Наиболь­шее распространение получили смесители инжекционного типа. На рис. 46 и 47 представлены инжекционные смеси­тели конструкции Стальпроекта.

На рис. 46 показан инжекционный смеситель, выполнен­ный отдельно от горелки и подающий газо-воздушную смесь сразу в несколько горелок.

На рис. 47 изображен инжекционный смеситель, пред­ставляющий собой единое целое с горелкой. В зависимости от производительности горелок используют ту или другую конструкцию. При диаметре выпускного отверстия d_н.г £ 75 мм применяют горелку, изображенную на рис. 46, а при d_н.г > 75 мм применяют горелку, приведенную на рис.47.

Смеситель работает следующим образом. Газообразное топливо под определенным давлением поступает в смеси­тель через входной патрубок 1 и, выходя с большой ско­ростью через сопло 3, инжектирует необходимый для горения воздух. Воздух подсасывается из окружающей атмос­феры через кольцевую щель между воздушной шайбой 2 и смешивающей трубой 4.

Газ смешивается с воздухом во время подсасывания воздуха, однако для полного перемешивания нужен еще до­полнительный участок, роль которого и выполняет сме­шивающая труба 4, длина которой должна быть не меньше семи ее диаметров.

В инжекционной горелке подобной конструкции при из­менениях расхода одного и того же топлива автоматически может поддерживаться заданный коэффициент расхода (избытка) воздуха, так как изменение расхода газа влечет за собой изменение количества инжектируемого воздуха. Применение инжекционных смесителей при работе на хо­лодном воздухе позволяет отказаться от воздухопроводов и вентиляторов, что является преимуществом горелок этого типа.

Производительность и устойчивость работы инжекцион­ных горелок в значительной мере зависят от давления, под которым поступает газообразное топливо. Если давление таково, что скорость выхода смеси из носика горелки окажется меньше скорости горения для данного топлива, то пламя будет проскакивать внутрь смешивающей трубы и горелка может выйти из строя.

Возможен и такой случай, когда при чрезмерном давле­нии скорость выхода смеси из носика горелки значительно превысит скорость горения и пламя будет отрываться от но­сика горелки, что снизит эффективность ее работы. Кроме работы на холодном атмосферном воздухе, инжекционные горелки определенных конструкций могут работать и на подогретых газе и воздухе, что особенно важно для печей, отапливаемых бедным топливом, например доменным га­зом. На рис. 48 показана инжекционная горелка подобного назначения конструкции Стальпроекта.

Важно правильно выбрать допускаемую температуру подогрева газа и воздуха, чтобы исключить возможность воспламенения в смесителе. Опыты Стальпроекта показали, что при температуре смеси 850 К доменный газ не воспламеняется, а предельная температура нагрева смеси состав­ляет 673 К. Эти горелки применяют обычно на крупных нагревательных печах. Печи, оборудованные такими горел­ками и керамическими рекуператорами из шамотных бло­ков, могут работать без принудительной подачи воздуха.

В работе инжекционных горелок существенную роль иг­рает туннель. В процессе горения газа стенки туннеля рас­каляются, что обеспечивает поджигание новых порций газо-воздушной смеси и тем самым способствует устойчивому горению.

При всех отмеченных преимуществах инжекционным горелкам свойственны следующие дефекты: недостаточные пределы регулирования, невозможность изменять теплоты сгорания топлива при данном диаметре сопла, большие размеры горелок значительной производительности.

Беспламенные горелки не следует применять в том слу­чае, когда по условиям работы печи необходим хорошо све­тящийся и достаточно длинный факел.

Горелки с внешним смешением (пламенные горелки)

Горелки с внешним смешением получили очень широкое распространение на печах различного назначения п разме­ров. В зависимости от их конструктивного оформления длина факела изменяется в очень широких пределах. Об­щим для горелок с внешним смешением является то, что до выхода из горелки топливо и воздух подаются по отдель­ным каналам. Перемешивание газа с воздухом осуществля­ется на выходе из горелки в рабочем пространстве печи. В результате этого горение топлива затягивается и для обес­печения необходимой полноты сжигания топлива необходим избыток воздуха (10 – 15%).

Существуют различные методы ввода газа и воздуха, ко­торые в той или иной мере осуществляются в конструкци­ях пламенных горелок. Конструктивное оформление ввода газа и воздуха оказывает весьма сильное влияние на ин­тенсивность смешения и как следствие на длину факела. Это хорошо видно из рис. 49. Второй и пятый случаи соот­ветствуют широко распространенным горелкам «труба б трубе» и турбулентным. При коаксиальном подводе газа и воздуха (второй случай) качество смешения наиболее низ­кое, а длина факела наибольшая. Если придать воздуху интенсивное вращательное движение применением корпуса горелки улиткообразной формы (случай пятый), то смеше­ние значительно улучшается, а факел укорачивается. В связи с этим турбулентные горелки с внешним смешением иногда называют горелками с улучшенным смешением. Та­ким образом, чем лучше смешение, тем короче факел.

К недостаткам горелок с внешним смешением надо от­нести следующее: 1) высокое значение коэффициента из­бытка воздуха, что вызывает излишний расход топлива; 2) для подачи воздуха необходим вентилятор; 3) для регулирования количества воздуха по изменению количества га­за нужны специальные устройства.

Имеется много различных горелок с внешним смешени­ем. Ниже в качестве примеров рассмотрены лишь типовые горелки той или иной группы.

Горелки типа «труба в трубе». Эти горелки (их часто называют двухпроводными) могут работать на различных печах и на различном топливе при небольшом давлении и допускают широкие пределы регулирования. Скорость вхо­да смеси в устье горелки принимают в пределах w = 10 ¸ 70м/с при давлении газа и воздуха от 98 до 4900 Па. Необходимое давление газа и воздуха следует принимать на 35 – 40% больше динамического напора газа и воздуха (рис. 50).

Следует также правильно выбирать соотношение ско­ростей газа и воздуха в указанных сечениях. Ниже приве­дены приближенные рекомендуемые значения отношения площади воздушного кольца к площади сечения газовой трубки для различных топлив:

Габариты горелок невелики. Горелки применяют при подогретых газе и воздухе; работа горелок не зависит от давления в печи. Смешение топлива с воздухом в двухпро­водных горелках плохое, что вызывает образование длин­ного факела. Поэтому их целесообразно применять в тех случаях, когда тепловыделение от пламени должно быть растянуто по длине рабочего пространства. Подобные го­релки пока представляют собой оптимальный вариант для методических печей, отапливаемых природным газом. При­менение горелок данного типа стимулируется также отно­сительной простотой их конструкции и малой стоимостью.

Турбулентные горелки. Эти горелки по конструктивным формам очень многообразны, однако общим для них явля­ется то, что в них воздушная струя поступает тангенциаль­но по отношению к газовой. Благодаря этому воздух приобретает вращательное движение, что способствует улучше­нию перемешивания и общей турбулизации факела.

Одной из наиболее распространенных конструкций яв­ляется турбулентная горелка Стальпроекта (рис. 51), рас­считанная на топливо с теплотой сгорания 3770 – 8280 кДж/м³. В этой горелке воздух приобретает вращательное дви­жение благодаря улиткообразной форме воздушной части корпуса. Газ поступает в устье горелки со значительной скоростью, которая обеспечивается постоянным сужением газового сопла и пережимающим действием внутренней трубки. Вращающийся вокруг газовой струи воздух разби­вает ее, обеспечивая сравнительно хорошее перемешивание их друг с другом. Горелка работает при коэффициенте рас­хода (избытка) воздуха, равном 1,1, и создает факел, дли­на которого в 7 – 10 раз больше диаметра устья горелки.

Для турбулентных горелок данной конструкции скорость газо-воздушной смеси в устье горелки принимают в преде­лах 15 – 40 м/с, причем при скорости смеси 40 м/с давление газа и воздуха должно составлять 4,9 – 6,9 кПа.

Турбулентные горелки имеют следующие преимущества перед горелками других типов: 1) сравнительно низкое дав­ление газа и воздуха; 2) при низком давлении и довольно простой конструкции могут обеспечить достаточно хорошее смешение топлива с воздухом; 3) могут работать на подо­гретых газе и воздухе.

Благодаря этим преимуществам турбулентные горелки нашли широкое применение на различных нагревательных и термических печах.

Горелки с регулируемой длиной факела. В некоторых печах расход топлива изменяется во времени. При этом в соответствии с изменением тепловой нагрузки изменяются скорость истечения газа и воздуха и длина факела, что мо­жет привести к нежелательному изменению температуры по длине рабочего объема печи. Чтобы избежать этого, приме­няют горелки с регулируемой длиной пламени.

На рис. 52 представлена горелка с регулируемой длиной пламени, разработанная для нагревательных печей. К го­релке подводят Первичный и вторичный газ. Первичный газ поступает через центральное сопло, а вторичный — через шесть сопел, оси которых совпадают с отверстиями для про­хода воздуха. Если в горелку подается только первичный газ, то вследствие слабого смешения образуется растяну­тый факел. При подаче только вторичного газа смешение будет лучше, а факел короткий. Комбинируя соотношение первичного и вторичного газа, можно поддерживать факел необходимой длины.

Горелки, применяемые при косвенном режиме работы печи. При косвенном режиме сжигание газа должно быть выполнено так, чтобы селективное излучение продуктов сгорания было трансформировано в сплошное по спектру излучение огнеупорного материала на нагреваемый металл. Роль горелки сводится к тому, чтобы с наибольшей эффек­тивностью раскалить поверхность керамики до высокой температуры. Такие горелки обеспечивают контактное сго­рание газа на керамической поверхности с максимальным приближением к поверхности огнеупора зоны высоких тем­ператур пламени. Чем выше температура поверхности ке­рамики, тем больше ее теплоотдающий эффект. В качестве теплоотдающей керамической поверхности могут быть использованы поверхности керамических корпусов горелок и кладка свода, расположенная вокруг горелки. Горелки, при­меняемые для обеспечения косвенного режима, могут быть с предварительным и внешним смешением.

Предварительное смешение применяется, например в ра­диационных горелках с излучающей чашей.

В горелках с излучающей чашей корпус горелки выпол­няется из высококачественного, обычно высокоглиноземистого (алунда, муллита) огнеупорного материала. Поэтому такие горелки часто называют керамическими горелками. Одна из таких горелок представлена на рис. 53. Внутренний диаметр выходной части чаши обычно находится в преде­лах 50 – 170 мм. В центре чаши ввинчена керамическая пробка, имеющая 20 – 40 узких пазов шириной около 0,5 мм каждый. По этим пазам заранее приготовленная горючая смесь поступает в зону горения. Выходные отверстия в пробке выполнены так, что горючая смесь растекается вдоль вогнутой поверхности чаши и, сгорая в непосредст­венной близости, раскаляет ее до высокой температуры. Давление горючей смеси обычно около 19,6 кН/м². Излу­чение при теплоте сгорания топлива 37700 кДж/м³ составляет примерно 70%; с уменьшением теплоты сгорания доля излучения падает. Оптимальное теплонапряжение поверхно­сти излучающей поверхности чаши 580 – 1280 кВт/м².

В последнее время все более широкое распространение приобретает сводовое отопление печей, при котором все необходимые горелки или некоторые размещаются на своде печи. Назначение этих горелок заключается в том, чтобы обеспечить максимально возможное излучение на нагревае­мый металл внутренней поверхности свода. С этой целью конструкции горелок выполняются так, чтобы образующееся пламя тонким (плоским) слоем растекалось по элементам поверхности свода, расположенным вокруг горелки. Вследствие этого такие горелки получили название плоско­пламенных горелок.

Для создания разомкнутого пламени, стелющегося по поверхности свода, в плоскопламенных горелках применяют горелочные камни специальной формы и рассекатели. Кроме того, воздушному потоку обычно придается вращательное движение. Конфигурация туннеля горелочного камня ока­зывает существенное влияние на форму пламени (рис. 54). Обычно плоскопламенные горелки применяют без туннеля (рис. 54, б) или с таким туннелем, который представлен на рис. 54, а.

Конструкции плоскопламенных горелок в настоящее вре­мя весьма многообразны. В горелке, разработанной в Ин­ституте газа АН УССР (рис. 55), вращательное движение воздуха обеспечивается улиткообразной формой корпуса, по которому подается воздух (наподобие того, как это делает­ся в турбулентной горелке конструкции Стальпроекта), и специальным направляющим винтом. Иногда такую горелку применяют и без винта.

Принцип плоскопламенного горения применяют в от­дельных случаях и при сжигании распыленного жидкого топлива.

Устройства для сжигания жидкого топлива (форсунки)

Для осуществления широко применяемого в печах фа­кельного метода сжигания жидкого топлива применяют спе­циальные устройства, называемые форсунками.

К форсункам предъявляют следующие требования:

1) хорошее распыливание и перемешивание топлива с воздухом;

2) обеспечение устойчивого горения незатухающего факела нужной длины;

3) надежность в эксплуатации, простота и прочность конструкции, незасоряемость, удобство чистки.

Все форсунки разделяют на две группы: низкого и вы­сокого давления (табл.9).

Различие между форсунками низкого и высокого давле­ния состоит в том, что в форсунках низкого давления рас­пылителем служит вентиляторный воздух со сравнительно невысоким давлением, в то время как в форсунках высокого давления распылителем служит компрессорный воздух или пар высокого давления. При этом з форсунках низкого дав­ления весь воздух, необходимый для горения, поступает через форсунку. В форсунках высокого давления расход компрессорного воздуха составляет 7 – 12% всего количе­ства воздуха, необходимого для горения. Остальной воздух, называемый вторичным, через форсунку не проходит, а поступает к форсунке по специальным керамическим кана­лам.

Если распылителем является пар, то весь необходимый для горения воздух подают в виде вторичного. Это обстоя­тельство в значительной мере и определяет область приме­нения различных форсунок. Поскольку вторичный воздух может подогреваться до весьма.высоких температур (1373 – 1473 К), форсунки высокого давления применяют на таких: печах, где для достижения высоких температур в рабочем пространстве (например, мартеновских печей) необходимо воздух подогревать до высокой температуры.

Форсунки низкого давления, в которых применяют воз­дух, подогретый до 573 К, используют на нагревательных печах различного типа. Преимущество форсунок низкого давления — несколько более полное сгорание мазута, что достигается благодаря участию большой массы воздуха в распыливании. В форсунках высокого давления подача ос­новной массы воздуха, помимо форсунки, приводит к сни­жению качества смешения и является причиной несколько повышенного расхода воздуха.

Форсунки низкого давления

Конструкции форсунок низкого давления весьма много­образны. Типовой форсункой является широко распростра­ненная форсунка конструкции Стальпроекта, показанная на рис. 56. Давление мазута перед форсункой составляет 49,0 – 98,0 кПа; распылителем служит вентиляторный воз­дух, который может быть подогрет до 573 К, но не выше, так как в результате нагрева мазутной трубки может про­изойти разложение мазута и сопло засорится.

Обычно в форсунках низкого давления весьма невелики возможные пределы регулирования расхода мазута. Это объясняется тем, что с уменьшением расхода мазута умень­шается расход воздуха, в результате чего уменьшается ско­рость выхода воздуха и ухудшается его распыливающее действие. В форсунке конструкции Стальпроекта можно изменятьттасход мазута до 40 – 50% максимальной ее про­изводительности без заметного ухудшения распыливания. Это обеспечивается возможностью перемещения мазутного сопла при помощи специального рычага, в результате чего изменяется сечение для выхода распылителя и скорость его остается на требуемом уровне. Форсунка дает длинный (примерно 2 – 2,5 м) узкий факел, причем для полноты сго­рания необходимо поддерживать коэффициент избытка воз­духа, равный 1,2.

В настоящее время многие форсунки типизированы, что позволяет не рассчитывать их, а выбирать в зависимости от производительности.

Форсунки высокого давления

Типичной для круглых струйных форсунок высокого давления одноступенчатого распыливания с внешним обра­зованием смеси, применяемой на малых и средних печах, является форсунка конструкции В. Г. Шухова (рис. 57). Проходное ее сечение для мазута постоянно. Скорость исте­чения распылителя не превышает скорости звука (330 м/с). Факел форсунки узкий и длинный. Для форсунки малых размеров длина факела составляет 2,5 – 4 м; для больших форсунок она достигает 6 – 7 м. Форсунка пригодна для работы в длинных топочных камерах. Для малых камерных печей форсунка конструкции Шухова непригодна, так как пламя ударяет в противоположную стену камеры, разру­шает кладку и образует коксовые наросты несгоревшего мазута. Часть топлива выносится из печи несгоревшим. Расход пара, необходимого для распыливания 1кг подо­гретого мазута, составляет 0,4 – 0,6 кг, а расход сжатого воздуха изменяется в пределах 0,6 – 0,8 м³/кг.

Форсунки изготовляют десяти размеров (номеров), рас­считанных на производительность 3 – 400 кг/ч.

Для отопления крупных печей, например мартеновских, применяют форсунки высокого давления особой конструк­ции, создающие достаточно жесткий, светящийся факел, например форсунку конструкции Днепропетровского металлургического института (ДМетИ), показанную на рис. 58. В этой форсунке мазут поступает по центральной трубке, а распылитель до соприкосновения с топливом расширяется до давления, близкого к атмосферному. Применение сопла Лаваля сдиффузором позволяет достигать очень высокой скорости истечения (750 м/с и более), что обеспечивает хо­рошее распыливание мазута.

Производительность форсунки изменяется в пределах 250 – 2500 кг/ч при изменении расхода пара или компрес­сорного воздуха (распылителей) соответственно 25 – 1250 и 180 – 1900 кг/ч.

В нагревательных печах иногда при применении форсу­нок высокого давления вторичный воздух для горения так­же поступает по специальным керамическим каналам. Од­нако довольно часто применяют форсунку высокого давления вместе с форсуночной коробкой, через которую подается воздух, необходимый для горения. На рис. 59 представ­лена форсунка высокого давления с двойным распыливанием конструкции Стальпроекта, установленная в форсуноч­ной коробке.

Форсуночные коробки применяют при температуре воз­духа до 673 К. Выходное сечение по воздуху рассчитывают на действительную скорость в пределах 20 – 25 м/с.