Горелки с внешним смешением (пламенные горелки)

Горелки с внешним смешением получили очень широкое распространение на печах различного назначения и размеров. В зависимости от их конструктивного оформления длина факела изменяется в очень широких пределах. 06|щим 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. 38. Второй и пятый случаи соответствуют широко распространенным горелкам «труба в 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.

Пламенные горелки целесообразно применять при сжигании топлива с высокой теплотой сгорания, когда при достаточно высоком коэффициенте расхода кислорода, равном

1,1—1,15, можно обеспечить необходимый нагрев металла. Такие горелки обычно применяют при необходимости концентрированного подвода топлива небольшим числом горелок. При применении горелок с внешним смешением наиболее просто осуществляется переход с одного вида топлива на другой.

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 ω = 10-70 м/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. 39).

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:

Смешанный газ Q = 3771-5866 кДж/м³ 1.1

Смешанный газ Q =5866—8380 кДж/м³ 1,9

Коксовый газ.......... 7

Природный газ.......... 14

Габариты горелок невелики. Горелки применяют при подогретых газе и воздухе; работа горелок не зависит отдавления 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. 40), 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. 41 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. 42. 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. 43). Обычно плоскопламенные горелки применяют без туннеля (рис. 43,6) или с таким туннелем, который представлен на рис. 43, а.

Конструкции плоскопламенных горелок в настоящее время весьма многообразны. В горелке, разработанной в Институте газа АН УССР (рис. 44), 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.

5.3Устройства для сжигания жидкого топлива (форсунки)

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

Таблица 9. Сравнительная характеристика форсунок низкого и высокого давления

	Форсунки
Характеристика	низкого давления	высокого давления
Распылитель	Вентиля-	Компрессорный воз-
	торный	дух; водяной пар
Давление распылителя, кПа Доля распылителя (воздуха) от	воздух 2,94—8,82	Компрессорный воздух; пар, 588—1774 7—12
всего воздуха, расходуемого на
горение, % Доля вторичного воздуха от всего воздуха, необходимого для го-			88—93
рения, % Предельная температура подогрева воздуха, К			Подогрев вторичного воздуха не ограничен
Удельный расход распылителя на			0,6—0,8
1 кг мазута, кг Скорость выхода распылителя из форсунки, м/с Степень распыливания (диаметр	50—80 До 0,5	Обычно до 330; иногда более 330 0,05
капли), мм

К форсункам предъявляют следующие требования:

1) хорошее распиливание 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 в 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 распиливании. 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. 45. 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 изменять расход мазута до 40—50 % максимальной ее прозводительности без заметного ухудшения распыливания. то 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 сгоания 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. 46). 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 1 кг 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. 47. В этой форсунке мазут поступает по центральной трубке, а распылитель до соприкосновения с топливом расширяется до давления, близкого к атмосферному. Применение сопла Лаваля с диффузором 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. 48 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.