Топливосжигающие устройства

Сжигание топлива в пламенных печах производят с помощью топливосжигающих устройств. Все топливосжигающие устройства делятся на горелки и форсунки.

Горелкой называется устройство, предназначенное для сжигания газообразного топлива и служащее для подготовки газовоздушной смеси и организации ее сжигания в топке или рабочем пространстве печи.

Жидкое топливо, применяемое для отопления печей, сжигается в распыленном состоянии. Устройство для распыления жидкого топлива и организации его подачи в топку или рабочее пространство печи называется форсункой.

3.1. Газовые горелки

Основные требования, предъявляемые к горелкам:

1) обеспечение полного сжигания топлива в пределах рабочего пространства;

2) обеспечение наивысшего уровня теплоотдачи к нагреваемым изделиям;

3) обеспечение необходимого диапазона регулирования расхода газа и воздуха, т.е. устойчивость горения в широком диапазоне производительности (нет отрыва и проскока пламени);

4) надежность и удобство эксплуатации;

5) минимальное гидравлическое сопротивление на пути газа и воздуха.

Горелки по способу приготовления газовоздушной смеси можно разделить на четыре основных типа:

а) без предварительного смешения топлива с воздухом (приготовление смеси происходит в период горения); их называют диффузионными или пламенными;

б) с частичным предварительным смешением;

в) с полным предварительным смешением (кинетические или беспламенные);

г) с неполным предварительным смешением газа и воздуха (атмосферные).

3.1.1. Горелки без предварительного смешения

газа и воздуха (пламенные)

К этому типу относятся пламенные двухпроводные горелки и горелки типа "труба в трубе". Принципиальное устройство их представлено на рис.3.1–3.3. Это горелки низкого давления: давление газа в коллекторе 2,5 – 3,5 кПа. Они характеризуются раздельным подводом газа и воздуха. Смешение струй газа и воздуха начинается на расстоянии 30 – 60 мм от выходного сопла. Коэффициент расхода воздуха для горелок этого типа составляет 1,1 - 1,15..

Рис. 3.1. Горелки типа "труба в трубе" малой мощности для газов с низкой (а) и высокой (б) теплотой сгорания

Рис. 3.2. Горелки типа "труба в трубе" средней мощности для газов с низкой (а) и высокой (б) теплотой сгорания

Рис. 3.3. Горелки типа "труба в трубе" большой мощности для газов с низкой (а) и высокой (б) теплотой сгорания

Процесс горения лимитируется скоростью смешения газа с воздухом. Они имеют длинный факел и их следует применять при отоплении крупных печей (мартеновских, стекловаренных и методических) при установке их с торца печи, чтобы избежать физического недожога топлива. Используют горелки без предварительного смешения также в радиационных трубах с целью получения растянутого факела

Недостаток данных горелок – принудительная подача воздуха и регулировка соотношения газа и воздуха, что усложняет установку горелок "труба в трубе" при значительном их числе.

Преимущества данных горелок следующие:

а) широкие пределы регулирования;

б) отсутствует опасность проскока пламени внутрь горелки;

в) возможность работы на подогретом газе и воздухе (температура подогрева ограничивается только стойкостью трубопроводов и их элементов и необходимостью предотвратить термическое разложение газа);

г) компактность и малые габариты;

д) область высоких температур удалена от кладки, что обусловлено растянутостью факела;

е) обеспечивается возможность концентрированного подвода теплоты при небольшом числе горелок высокой производительности.

3.1.2. Горелки с частичным предварительным

смешением газа и воздуха

Способы улучшения смешения газа с воздухом заключаются в следующем:

а) увеличивают путь и время перемешивания газа с воздухом внутри горелки;

б) разделяют потоки газа и воздуха на мелкие струи, в результате увеличивается поверхность их соприкосновения;

в) направляют газ и воздух под углом друг к другу;

г) создают закручивание потоков газа и воздуха.

К такому типу пламенных горелок относятся турбулентные горелки (с закручиванием струи воздуха), показанные на рис.3.4, и видоизмененные горелки "труба в трубе", снабженные устройствами для улучшения предварительного перемешивания газа и воздуха. В горелках "труба в трубе" удлинен корпус, выходное сечение газового сопла удалено от носика и предусмотрен промежуточный диффузор - смеситель. Это приводит к уменьшению длины факела. Коэффициент расхода воздуха для таких горелок составляет 1,05 - 1,1.

Рис.3.4. Турбулентные горелки конструкции Стальпроекта

Горелки с улучшенным смешением могут работать на низком давлении газа и воздуха. Недостаток – необходимость принудительной подачи и регулирования воздуха. Применять следует в печах средних размеров (печи с выдвижным подом, термические печи) или крупных (методические, проходные) при установке по боковым сторонам печи или со свода.

3.1.3. Горелки с полным предварительным смешением

газа и воздуха (беспламенные)

К горелкам с полным предварительным смешением относятся радиационные и инжекционные.

Отличительной особенностью радиационных горелок является наличие горелочного туннеля. Они бывают трех видов:

- с излучающей чашей; горелочный туннель имеет вид чаши, на поверхности которой происходит горение предварительно подготовленной смеси компонентов горения;

- панельные, это многотуннельные горелки: горение предварительно подготовленной смеси газа с воздухом происходит на плоской поверхности;

- плоскопламенные: горелочный туннель имеет криволинейный профиль для лучшего растекания и прилипания пламени к поверхности кладки (рис.3.5).

Рис.3.5. Плоскопламенная горелка ГПП

Принцип работы инжекционных горелок (рис.3.6) заключается в том, что газ подается под повышенным давлением (50 кПа) и при выходе струи из газового сопла в горелку инжектируется (засасывается) воздух. Приготовление смеси происходит в смесителе, при выходе из горелки смесь быстро сгорает, давая короткий высокотемпературный факел.

Преимущества инжекционных горелок:

1. Коэффициент расхода воздуха 1,0 - 1,05. При этом достигается наиболее экономичное сжигание газа, обеспечивающее высокую температуру горения, что важно при сжигании газов с низкой теплотой сгорания.

2. Короткий факел горения, что позволяет создать вблизи горелок зону достаточно высоких температур. Это особенно важно для печей с малым рабочим пространством (колпаковые, секционные, термические, нагревательные колодцы).

3. Количество поступающего воздуха строго пропорционально расходу газа, следовательно, не требуется принудительной подачи воздуха и регулировки соотношения газ – воздух. Конструкция печи упрощается, поскольку не требуются воздухопроводы. Для обеспечения равномерного нагрева возможна установка большого числа мелких инжекционных горелок.

Рис.3.6. Инжекционные горелки конструкции Стальпроекта:

а - тип Н; б - тип П; в - тип В

Инжекционным горелкам присущи следующие недостатки:

1. При работе на инжекционных горелках необходимы газоповысительные станции. Для доменного газа необходимо давление не менее 10 кПа, а для природного газа – не менее 50 кПа.

2. Ограниченные температуры подогрева воздуха или газа вследствие опасности самовоспламенения смеси внутри корпуса горелки.

3. Имеется опасность проскока пламени внутрь горелки.

4. Сложность конструкции и большие размеры горелок, что иногда препятствует их расположению в заданных габаритах печи. Так, инжекционная горелка такой же производительности, как и горелка типа "труба в трубе", в два раза больше по длине и по диаметру.

3.1.4. Горелки с неполным предварительным

смешением газа и воздуха

Это так называемые атмосферные горелки. Отличительная особенность их состоит в том, что в первую ступень смешения воздух подается с коэффициентом расхода 0,6 – 0,8; остальной воздух до коэффициента расхода 1,1 поступает во вторую ступень смешения из атмосферы. Такой метод смешения воздуха с газом обеспечивает устойчивую работу горелок, т.е. без отрыва и проскока пламени в смеситель. Область применения – термические печи и для бытовых газовых плит.

3.2. Расчет газовых горелок

Выбор топливосжигающего устройства производится на основе расчета его основных размеров по пропускной способности и по заданному давлению топлива и воздуха.

Основным параметром горелки является скорость газо-воздушной смеси при ее выходе. Диаметр выходного сопла d_н.г (диаметр носика горелки) является "калибром" горелки. По его размеру классифицируют горелки различных типов и конструкций.

Минимальная скорость газовоздушной струи в выходном сечении должна быть такой, чтобы не допускать проскока пламени внутрь горелки. Максимальная скорость зависит от конструкции горелки, от давлений газа и воздуха, от дальнобойности горелки, в свою очередь, связанной с требуемой длиной факела.

3.2.1.Выбор горелок типа "труба в трубе"

Горелки "труба в трубе" нормализованы Стальпроектом. При расчете этих горелок следует исходить из следующих положений:

1. Горелки могут работать при давлении газа, поступающего из сети, т.е. нет необходимости в специальных газоповысительных устройствах. Давление газа перед ответвлением около горелок можно принимать таким, кПа (мм вод. ст.):

для природного 4 – 6 (400 – 600);

для коксового 1,5 - 2 (150 – 200);

для доменного 1,5 (150).

2. Давление воздуха перед горелками принимается 2 – 3 кПа (200 – 300 мм вод. ст.).

3. Скорость газа внутри горелки на участке до выходного сопла примерно в два раза больше скорости в подводящем газопроводе, т.е. 20 – 25 м/с.

4. Общее сопротивление по газовому или воздушному тракту горелки составляет 1,5 – 1,7 скоростных давлений в выходном сечении соответственно газового сопла или воздушной коробки.

5. Скорость истечения газа из сопла (м/с) определяют по формуле

, (3.1)

где Р – давление газа в газопроводе перед горелкой, Па;

α - коэффициент, равный 1,5 – 1,7;

ρ_г - плотность газа, кг/м³.

Скорость истечения газа из сопла не должна превышать 80 – 100 м/с.

6. Отношение выходных скоростей воздуха и газа должно быть w_в / w_г = 1/2, но не менее 1/3 – 1/4.

7. Скорость газовоздушной смеси в носике горелки при максимальном расходе газа и воздуха может составлять w_{н. г} = 25 – 30 м/с; при определении низшей границы пропускной способности горелки минимальной следует считать скорость 4 – 5 м/с.

Горелки с улучшенным смешением нормализованы Стальпроектом и Теплостроем. При расчете этих горелок исходят из тех же положений, что и при расчете горелок "труба в трубе".

Для предупреждения проскока пламени минимальную выходную скорость газовоздушной смеси в носике горелки рекомендуется принимать не менее w_н.г = 5 – 8 м/с. Во избежание отрыва пламени скорость вылета смеси из носика горелки не должна превышать w_н.г = 20 м/с.

Нормализованные горелки типа "труба в трубе" разработаны двух видов: для газа с высокой теплотой сгорания от 10 до 35,5 МДж/м³ и для газа с низкой теплотой сгорания от 3,75 до 10 МДж/м³ и по мощности подразделяются на горелки малой, средней и большой тепловой мощности. Установочные размеры горелок типа "труба в трубе" приведены в табл.3.1.

Обычно известны тепловая мощность печи (или отдельной зоны) и число горелок, выбираемое по конструктивным соображениям.

Определив тепловую мощность одной горелки и зная теплоту сгорания газа, легко найти расход газа через горелку (пропускную способность горелки по газу). Количество воздуха, которое должно быть подано для сжигания газа, определяют из расчета горения топлива при заданном коэффициенте расхода воздуха и найденной пропускной способности горелки по газу.

Горелки обычно выбирают по графикам в зависимости от давления воздуха перед горелкой и требуемой пропускной способности по воздуху (рис.3.7). Графики построены для холодного воздуха (t_в = 20^оС). При подогреве воздуха горелку выбирают по расчетному расходу воздуха, определяемому по формуле:

, (3.2)

где Т_В – температура подогрева воздуха, К.

Таблица 3.1

Основные размеры горелок типа "труба в трубе"

Давление воздуха горелкой, кПа

а б

Давление воздуха перед горелкой, кПа

а

Давление воздуха перед горелкой, кПа

б

Рис.3.7. Пропускная способность по воздуху горелок типа "труба в трубе" для газов с высокой (а) и низкой (б) теплотой сгорания

Диаметр газового сопла определяют по графику на рис.3.8 в зависимости от давления и необходимой пропускной способности по газу. Эти графики также построены для холодного газа (t_г = 20^оС) с плотностью ρ_г= 1,0 кг/м³. Если параметры газа отличаются от принятых, то расчетную пропускную способность по газу определяют по формуле

, (3.3)

где Т_г – температура подогрева газа, К;

ρ_г - плотность газа, кг/м³;

V_г - расход газа при Т_г = 293 К.

Давление газа перед горелкой, кПа

Рис.3.8. Пропускная способность по газу горелок типа "труба в трубе"

После выбора горелки проверяют скорости газа и воздуха на подходе к горелке и на выходе из нее. При определении скоростей удобно пользоваться графиком, приведенным на рис.3.9.

Рекомендуемые значения давлений и скоростей приведены в табл.3.2.

Давление перед горелкой, кПа

Рис.3.9. Скорость истечения газа и воздуха из горелки

Таблица 3.2

Рекомендуемые давления и скорости для горелок

типа "труба в трубе" и турбулентных горелок

3.2.2. Выбор турбулентных горелок

Турбулентные горелки – с закручиванием струи воздуха. Они подразделяются на два типа в соответствии с теплотой сгорания газа: тип I для газов с низкой теплотой сгорания 3,75 – 5,85 МДж/м³ и тип II для газов со средней теплотой сгорания 5,85 – 9,2 МДж/м³. Обозначение горелок состоит из индекса типа горелки, цифры, обозначающей диаметр носика горелки в миллиметрах, и римской цифры, обозначающей тип горелки (например, горелка ГТН-75-II). При давлении газа 2,5 кПа производительность горелок нормализована в диапазоне от 130 до 1800 – 2200 м³/ч в зависимости от теплоты сгорания газа. Размеры турбулентных горелок Стальпроекта приведены в табл.3.3.

Выбор турбулентной горелки (ГТН) производится точно так же, как и горелки типа "труба в трубе". Зависимость пропускной способности турбулентных горелок по воздуху и газу от давления перед горелкой представлена на рис.3.10.

Давление воздуха перед Давление газа перед

горелкой, Па горелкой, Па

Рис.3.10. Характеристики турбулентных горелок конструкции Стальпроекта: а - пропускная способность по воздуху; б - пропускная способность по газу с плотностью ρ = 1,17 кг/м³ и Q^Р_Н = 5,85 МДж/м³ (пунктирные линии - тип I, сплошные - тип II)

Эта зависимость дана для холодного воздуха (t_в = 20^оС) и холодного газа при теплоте сгорания 5,85 МДж/м³, плотности ρ_г=1,17 кг/м³ и коэффициенте расхода воздуха 1,05. Если воздух и газ подогреты или применяют газ другой плотности, то на графике откладывают расчетные расходы, определяемые по формулам (3.1) и (3.2). В случае применения газа с теплотой сгорания, не равной 5,85 МДж/м³, или при других значениях коэффициентов расхода воздуха полученные из графиков величины надо умножить на поправочный коэффициент, определяемый по левой шкале графика на рис.3.11 в зависимости от отношения количества воздуха к количеству газа V_в/V_г.

После этого так же, как и для горелок типа "труба в трубе", проверяют скорости на входе и выходе горелки. Полученные значения скоростей следует делить на поправочный коэффициент, учитывающий иные сопротивления турбулентных горелок по воздушному и газовому пути. Значения поправочных коэффициентов находят по правой шкале графика на рис.3.11. Рекомендуемые значения скоростей даны в табл.3.2.

3.2.3. Выбор плоскопламенных горелок

Институтом "Теплопроект" разработано семь типоразмеров плоскопламенных горелок (см. рис.3.5), пропускная способность которых по природному газу 5-160 м³/ч. Размеры горелок приведены в табл.3.4. Горелки геометрически подобны друг другу, и соотношение расходов воздуха и газа в них неизменно. Обозначение горелок состоит из буквенного индекса и порядкового номера типоразмера (например, ГПП-3).

Рабочие характеристики горелки ГПП-3 производительностью по газу 20 м³/ч приведены на рис.3.12 для коэффициента расхода воздуха 1,03 – 1,08. При переходе к горелкам других типоразмеров избыточные давления газа и воздуха перед входом в горелку остаются неизменными. При этом основные размеры (диаметр сопла d, диаметр газовой трубы d_п, диаметр отверстий газосоплового насадка d_г, диаметр тангенциального ввода воздуха в горелку D_о) увеличиваются пропорционально корню квадратному из прироста расхода газа через горелку.

Например, если диаметр сопла для горелки ГПП-3 равен 50 мм, то для горелки ГПП-5 с производительностью по газу 80 м³/ч диаметр сопла

Расход газа V_Г, м³/ч

Рис.3.12. Рабочие характеристики горелки ГПП-3 при коэффициенте расхода воздуха 1,03 – 1,08

3.2.4. Выбор инжекционных горелок

Инжекционные горелки нормализованы Стальпроектом. Горелки конструкции Стальпроекта подразделяются на три основных типа.

Горелки типа Н (см. рис.3.6,а) предназначены для сжигания газа с низкой теплотой сгорания 3,75 – 9,2 МДж/м³ (доменного и смеси коксового и доменного) в холодном воздухе. Для газов с теплотой сгорания менее 5,85 МДж/м³ предусмотрена возможность подогрева воздуха до 300^оС.

Горелки типа П (см. рис.3.6,б) предназначены также для сжигания газов с низкой теплотой сгорания 3,75 – 9,2 МДж/м³, причем они могут работать на подогретом воздухе и подогретом или холодном газе. Горелки типа В (см. рис.3.6,в) и ВП предназначены для сжигания холодных газов с высокой теплотой сгорания (природного, коксового, природно-коксового) в холодном воздухе.

При выборе горелок определяют основной калибр горелки d_{н. г} в зависимости от давления газа. Горелки выполнены двадцати типоразмеров от d_{н. г} = 15 мм до d_{н. г} = 270 мм. Размеры выбраны с таким расчетом, чтобы производительность предыдущей горелки была меньше производительности последующей приблизительно на 25%.

Давление газа перед горелкой, кПа

Давление газа перед горелкой, кПа

Рис.3.13. Зависимость пропускной способности горелок

от давления газа

Таблица 3.3

Характеристики инжекционных горелок конструкции Стальпроекта

Выбор инжекционных горелок всех типов производится по графикам на рис.3.13, где дана зависимость пропускной способности по газу для горелок с диаметром носика d_н.г = 100 мм. При другом значении d_{н. г} расход газа находится путем умножения величины, полученной из графиков, на поправочный коэффициент k, значения которого приведены в табл.3.4.

Таблица 3.4

Поправочные коэффициенты k для определения

производительности горелок в зависимости от d_{н. г}

Диаметр газового сопла можно найти по формуле

, (3.4)

где V_ог – пропускная способность горелки по газу, м³/с;

w_ог – скорость истечения газа из сопла, м/с, определяемая по формуле:

, (3.5)

где T_г – температура газа, К;

ρ_ог – плотность газа при нормальных условиях, кг/м³;

Р_о – давление газа, Па;

∆Р_г – избыточное давление газа перед горелкой, Па.

Диаметр смесителя для горелок типа Н и П равен диаметру носика горелки, т.е. d_см = d_н.г., а для горелок типа В

. (3.6)

Основные размеры инжекционных горелок конструкции Стальпроекта приведены в табл.3.5.

Обозначение инжекционных горелок Н, П, В и ВП состоит из буквы, обозначающей тип горелки, цифры, обозначающей диаметр носика горелки в миллиметрах, и через дробь цифры, обозначающей диаметр газового сопла (например, инжекционная горелка Н 100/40).

Таблица 3.5

Размеры турбулентных горелок, мм

Таблица 3.6

Основные размеры плоскопламенных горелок ГПП, мм

Продолжение табл.3.6

Таблица 3.7

Основные размеры инжекционных горелок

Библиографический список к п.3

3.1. Гусовский В.Л., Лифшиц А.Е., Тымчак В.М. Сжигательные устройства нагревательных и термических печей: Справочник. М.: Металлургия, 1981.

3.2. Гусовский В.Л., Ладыгичев М.Г., Усачев А.Б. Современные нагревательные и термические печи: Справочник. Под ред. А.Б.Усачева. М.: Машиностроение, 2001.

3.3. Еринов А.Е., Сорока Б.С. Рациональные методы сжигания газообразного топлива в нагревательных печах. М.: Техника, 1970.

3.4. Мастрюков Б.С. Теория, конструкции и расчеты металлургических печей. Т.2. М.: Металлургия, 1978.