Лекция 2-3

1.5 Устройства для сжигания газообразного и жидкого топлива. Классификация сжигающих устройств. Устройства для сжигания топлива: горелки, форсунки

Важнейшим элементом топливной печи являются устройства для сжигания газа или мазута. Устройства для сжигания газа называют горелками, для распыливания и сжигания мазута – форсунками. И те и другие состоят из собственно горелки (форсунки) и огнеупорного горелочного туннеля, через который смесь воздуха и топлива поступает в печь.

1.5.1 Горелки типа " труба в трубе", конструкции ДМетИ, инжекционные и другие. Требования, которые предъявляются к горелкам и форсункам

1. Горелки для сжигания газа

Процесс сжигания топлива состоит из трех операций: смешивание топлива с воздухом, подогрев компонентов горения до температуры воспламенения и собственно химическая реакция горения. Самая медленная операция – смешивание компонентов горения. В зависимости от её организации различают конструкции газовых горелок: 1) с предварительным смешиванием газа с воздухом внутри корпуса горелки и 2) без предварительного смешивания.

К горелкам с предварительным смешиванием относятся инжекционные (рис. 1.6а). В таких горелках воздух засасывается (инжектируется) в корпус под воздействием струи газа, выходящей с большой скоростью из газового сопла. Эти горелки не нуждаются в вентиляторах, а при работе на холодном воздухе и в воздухопроводах. К таким горелкам подводят только газ, их называют однопроводными в отличие от двухпроводных (или дутьевых) горелок, к которым подводят не только газ, но и воздушное дутьё по воздухопроводам. В корпусе-смесителе горелки происходит предварительное смешивание газа с воздухом. Газовоздушная смесь нагревается и сгорает в пределах длины горелочного туннеля. В печи нет видимого пламени. Поэтому инжекционные горелки называют беспламенными.

Скорость выхода смеси из носика горелки в туннель должна быть больше скорости распространения пламени в готовой для горения смеси во избежание обратного «проскока» пламени в корпус горелки, что может привести к его прогару, если горелку своевременно не отключить. «Проскоки» пламени при малых расходах газа делают узким диапазон регулирования расходов газа в этих горелках.

Подачу газа в горелку по сравнению с максимальной расчетной уменьшают не более, чем в 2-3 раза. Во избежание «проскоков» нельзя подогревать воздух и газ до высокой температуры, близкой к температуре воспламенения.

Преимуществом инжекционных горелок является полное сжигание газа с небольшим коэффициентом расхода воздуха, близким к единице, вследствие хороших условий смешивания компонентов горения.

На рис. 1.6б, 1.6в, 1.6г представлены конструкции двухпроводных горелок без предварительного перемешивания. Смесь газа с воздухом образуется вне корпуса горелки, в туннеле и в рабочем пространстве печи. По мере смешивания происходит горение в видимом факеле. Поэтому такие горелки называют факельными.

Горелки типа " труба в трубе" с почти параллельными потоками газа и воздуха (см. рис. 1.6б) отличаются длинным пламенем ввиду медленного перемешивания параллельных потоков. Газовая труба расположена по оси горелки, воздух проходит по кольцевому зазору между наружной и внутренней трубами. Эти горелки применяются для сжигания газов с низкой и с высокой теплотой сгорания.

а) в)

б) г)

а – инжекционная горелка с предварительным смешиванием газа с воздухом; б – дутьевая типа «труба в трубе» без предварительного смешивания; в ‑ дутьевая для природного газа с закруткой воздуха;
г – дутьевая сводовая плоскопламенная с закруткой воздуха и газа;
1 ‑ собственно горелка; 2 ‑ огнеупорный туннель.

Рис. 1.6 – Виды газовых горелок

Дутьевые горелки для сжигания природного газа низкого давления типа ГНП (см. рис. 1.6в) имеют улучшенное смешивание по сравнению с горелками " труба в трубе" и более короткий видимый факел. С этой целью перед выходным отверстием для воздуха установлены лопатки для закручивания воздушного потока, а наконечник для выхода газа делают сменным: с одним центральным выходным отверстием или с несколькими расположенными под углом к потоку воздуха.

Все перечисленные дутьевые и инжекционные горелки устанавливают, как правило, в стенах печей. В своде печи устанавливают плоскопламенные горелки (см. рис. 1.6г). Газ подают по трубе, расположенной вертикально по оси горелки. Поток воздуха закручивают направляющим винтом или благодаря смещенному от оси (тангенциальному) его подводу. Газ закручивают, применяя косые прорезы в наконечнике газовой трубы. Выходя из горелки, закрученная газовоздушная смесь прижимается к стенкам огнеупорного туннеля, имеющего форму граммофонной трубы. Пламя размыкается и направляется вдоль свода печи под прямым углом к оси горелки, приобретая форму плоского диска. Достоинство плоскопламенных горелок заключается в том, что горение происходит на поверхности огнеупорной футеровки свода. Раскаленный свод, имеющий бó льшую излучательную способность, чем дымовые газы, передает металлу, нагреваемому в печи, больший лучистый тепловой поток. Плоскопламенные горелки рассчитывают на работу с природным, коксовым и с различными смесями газов.

Для большинства дутьевых горелок расход газа без ухудшения работы горелки можно изменять в 3-4 раза. Все конструкции газовых горелок перед применением в печах проходят государственные испытания и получают сертификат с указанием допустимого режима эксплуатации: диапазона расходов газа, давления газа и воздуха, коэффициента расхода воздуха.

2. Форсунки для сжигания мазута

В качестве жидкого топлива для отопления печей в металлургии используют, как правило, высоковязкие топочные мазуты. Мазуты характеризуются: 1) вязкостью, 2) температурой вспышки и 3) температурой воспламенения, 4) температурой застывания. Температурой вспышки называют температуру, при которой пары мазута в смеси с воздухом загораются при поднесении огня. Она находится в пределах 70-150 °С в зависимости от состава мазута. Температура вспышки значительно ниже температуры воспламенения, при которой жидкий мазут воспламеняется произвольно, без воздействия огня. Температура воспламенения мазутов в среднем равна 500-600 °С. Температура застывания равна 5-25 °С.

Для удобства транспортирования и распыливания в форсунках вязкость мазута снижают путем подогрева до температуры на 15-20 °С ниже температуры вспышки. Мазут перед сжиганием подвергают распыливанию, чтобы увеличить площадь контакта капель с кислородом воздуха. В металлургии для сжигания мазута применяют форсунки высокого и низкого давления с паровым и воздушным распыливанием. Распыливание происходит в результате взаимодействия струй мазута и распылителя, движущихся с разными скоростями. В форсунках низкого давления распылителем является идущий на горение вентиляторный воздух с давлением 5-20 кПа, при котором обеспечивается скорость его истечения 80-100 м/с. Мазут обычно истекает со скоростью ~ 10 м/с. Достоинство форсунок низкого давления в том, что они не нуждаются в подводе распылителя высокого давления. Их применяют на небольших металлургических печах. Качество распыливания и сжигания лучше, а пределы регулирования расхода мазута выше в форсунках высокого давления. В них распылитель – компрессорный воздух или водяной пар – подают в небольших количествах, но с большой скоростью. Необходимое давление воздуха 400-600 кПа, удельный расход 1, 0-1, 5 кг/кг мазута, пар может быть сухой насыщенный или перегретый с температурой 200-300 °С под давлением 700-900 кПа, удельный расход пара 0, 8-1, 0 кг/кг мазута. Скорость истечения распылителя составляет сотни метров в секунду.

а) б)

а – форсунка низкого давления; б – форсунка высокого давления;
1 – собственно форсунка; 2 – форсуночная коробка

Рис. 1.7 – Виды мазутных форсунок

Форсунки высокого давления могут иметь большую пропускную способность. Их применяют на крупных металлургических печах. На рис. 1.7б показана установка на печи форсунки высокого давления в форсуночной коробке, через которую подают вентиляторный воздух, необходимый для сжигания мазута. На рис. 1.7а представлена форсунка низкого давления.

1.5.2 Новое поколение горелок: регенеративные, рекуперативные и рекуперативно-горелочные блоки

Регенеративные, рекуперативные и рекуперативно-горелочные блоки – это аппараты, которые комбинируют в себе функции горелочного и теплоутилизирующего устройства.

Принцип работы рекуперативной горелки следующий: через горелку противотоком по различным каналам поступают воздух горения в рабочее пространство печи и продукты сгорания из рабочего пространства печи.

Принцип работы регенеративной горелки следующий: одни и те же тракты попеременно (со смещением во времени) служат для подачи воздуха горения в рабочее пространство печи и продукты сгорания из рабочего пространства печи.

Принцип работы рекуперативно-горелочного блока следующий: канал отбора продуктов сгорания располагается вблизи устья горелки, а тракты продуктов горения и воздуха горения пересекаются не в горелке, а в примыкающем к ней рекуператоре.

Достоинством всех этих систем являются компактность и высокая степень утилизации теплоты благодаря малым теплопотерям в трактах.

На рис. 1.8 показана схема печи с регенеративными горелками. Регенеративные горелки 1 и 2 устанавливаются с противоположных сторон рабочего пространства печи. Характерной особенностью этих горелок является непосредственное расположение компактных регенераторов 1 и 2 около места подвода газа и воздуха в печь. Печь с регенеративными горелками является реверсивной. Регенеративные горелки работают попеременно на нагреве и охлаждении регенеративных насадок, что осуществляется с помощью регулирующих клапанов. Дым после регенераторов удаляется дымовой трубой в окружающее пространство.

Рис. 1.8 – Схема печи с регенеративными горелками

Устройство регенеративной горелки приведено на рис. 1.9. Главным элементом горелки является регенератор. Насадка регенераторов выполняется из шариков диаметром d = 15-20 мм. Шарики выполняются из огнеупорного материала, например, алунда.

Отличие шариковых регенераторов от кирпичных состоит в том, что поверхность нагрева 1 м³ насадки шаров диаметром 15-20 мм в 10-15 раз больше поверхности кирпичной насадки.

Поэтому шариковый регенератор имеет небольшой объём и устанавливается прямо в горелке. Отсюда название – регенеративные горелки.

Чтобы возвратить в печь с нагретым воздухом как можно больше теплоты, уносимой из неё дымовыми газами, нужно не давать шарикам прогреться по всей высоте засыпки. Горелки работают попарно. Когда температура дыма на выходе из регенератора достигает 100-150 °С, делают перекидку клапанов – дымовых, воздушных и газовых. Период между перекидкой составляет 1-3 минуты и зависит от соотношения расхода дымовых газов и объёма насадки.

Рис. 1.9 – Устройство регенеративной горелки

Температура подогрева воздуха в шариковых регенераторах приблизи­тельно на 100 °С ниже температуры дыма на выходе из печи. Поэтому регенераторы являются мощным средством аккумуляции тепла уходящих из печи газов и возврата его в печь с воздухом через горелки. КИТ в таких горелках может достигать 0, 85-0, 9.

В регенеративных камерах имеются загрузочный люк и разгрузочное окно. При засорении шариковой насадки её можно через разгрузочное окно передать на промывку от загрязнений.

Печи с регенеративными горелками, как нагревательные, так и плавиль­ные, работают в странах Западной Европы, в США, в Китае и др.