ГОРЕЛКА
BURNER

Устройство относится к газовым горелкам и может быть использовано для сжигания газообразного топлива в топках котлов и промышленных печей в особенности роторных с горизонтальной или наклонной осью вращения.
Близким к предлагаемому изобретению аналогом является газовая инжекционная горелка, описанная в патенте РФ №2243447.
Это изобретение, также как и предлагаемое, может быть использовано для сжигания газообразного топлива в топках котлов и промышленных печей. В аналоге, также как и в предлагаемом изобретении, газ под давлением проходит через сопла, инжектируя из атмосферы воздух, необходимый для горения, далее газ и воздух поступают в камеру предварительного смешения, где происходит смешение газа и засасываемого воздуха. Таким образом, аналог, как и предлагаемая горелка, содержит трубу для подачи газа, сопла, камеру предварительного смешения. Анализ конструкции горелки, описанной в патенте РФ №2243447, позволяет сделать вывод, что при горении газовоздушной смеси не получается среднего и длинного факела, который имеет предлагаемая горелка. Предполагаю, что горелка, описанная в патенте РФ №2243447, не имеет большого срока службы из-за наличия трехлопаточных завихрителей, работающих при высоких температурах. К числу недостатков следует отнести то, что горелка достаточно сложная, а, как правило, сложные конструкции часто ломаются и имеют сравнительно небольшой срок службы. Кроме того, имеются трудности в наладке и регулировке (размеры и количество дополнительных каналов и подачи воздуха, их расположению относительно друг друга, геометрии завихрителей и окончательно определяется для каждого типа размер горелочного устройства индивидуально в ходе натурных огневых испытаний).
Перечисленные выше причины препятствуют получению технического результата, который обеспечивается изобретением. Близким к предлагаемому изобретению аналогом является газовая инжекционная горелка, описанная в патенте РФ №2358198.
Это изобретение, также как и предлагаемое, может быть использовано для сжигания газообразного топлива в топках котлов и промышленных печей. В аналоге, также как и в предлагаемом изобретении, газ под давлением проходит через сопла, инжектируя из атмосферы воздух, необходимый для горения, далее газ и воздух поступают в камеру предварительного смешения, где происходит смешение газа и засасываемого воздуха. Таким образом, аналог, как и предлагаемая горелка, содержит размещенные в общей сварной газораспределительной камере смесители в виде труб с каналом для подсоса атмосферного воздуха и газовыми соплами. Анализ конструкции горелки, описанной в патенте РФ №2358198, позволяет сделать вывод, что при горении газовоздушной смеси не получается длинного факела, который имеет предлагаемая горелка, тепловая мощность горелки приблизительно в три раза меньше предлагаемой, устанавливать такие горелки в тепловые и плавильные агрегаты средней и большой мощности нецелесообразно. Кроме того, в конструкции горелки не предусмотрено устройство для регулирования подачи воздуха.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению аналогом (прототипом) является газовая инжекционная горелка, содержащая стабилизирующий пламя туннель, огнеупорную набивную массу, 9 цилиндрических смесителей, объединенных общей сварной газораспределительной камерой, в каждом смесителе просверлено четыре сопла под углом 25° к их осям (см. Винтовкин А.А. и др. Горелочные устройства промышленных печей и топок. Справочник, Интермет инжиниринг, М., 1999, с.305-307, р.7.44).
Горелка среднего давления полного предварительного смешения и предназначена для работы на природном газе по ГОСТ 5542-87. Она устанавливается в камерах горения котлов и других теплоиспользующих агрегатах, работающих под разряжением. В больших котлах и больших плавильных печах использование таких горелок вызывает трудности, связанные с тем, что горелка обеспечивает полное сгорание газа на длине факела около 1 метра (справка приведена на странице 307. А.А. Винтовкин, М.Г. Ладыгичев, В.Л. Гусовский, Т.В. Калинова. Горелочные устройства промышленных печей и топок. Справочник «Интермет Инжиниринг» - М., 1999. - 560 с.). Это мало при больших ваннах, допустим газовых ванных плавильных печей отражательного типа. Кроме того, если использовать такие горелки в роторных печах, то длины факела явно недостаточно и конструкция печи (завалочного окна) не позволит их разместить. В короткороторных печах необходимо, чтобы факел непосредственно обогревал цилиндрическую стенку печи.
Смесители горелки изготавливаются из углеродистой стали, поэтому горелки имеют небольшой срок службы (из опыта эксплуатации в ООО «Ресурсы Поволжья», ООО «Эком» г. Пенза и ООО «УЗТС-Станколит» г. Ульяновск). Кроме того, при набивке огнеупорной массы в пространство между смесителями происходит ее осыпание, так как положение горелки при набивке и обмуровке горизонтальное или немного наклонное. Расстояние между стенками смесителей составляет всего 20 мм, что сильно затрудняет процесс набивки огнеупорной массы в пространство между смесителями. Далее, в горелке отсутствует устройство для регулирования расхода воздуха. По приведенным выше причинам, а также указанным ниже недостаткам получение технического результата, который обеспечивается изобретением, невозможно.
Недостатками горелки, взятой за прототип, также являются:
- малый срок службы горелок из-за выгорания огнеупорной набивки, ее обсыпки и, как следствие, оплавление концов смесителей горелки;
- малая толщина смесителей горелки (3 мм), что приводит к их быстрому оплавлению;
- трудности в процессе набивки огнеупорной набивной массой пространства между смесителями горелок из-за малого расстояния между смесителями, а также трудности при обмуровке горелок в печи, так как необходимо выкладывать горелочный туннель.
Задачей предлагаемого изобретения является разработка горелки с длинным на периферии и средним факелом в центре, разработка конструкции туннель-рассекателя, который бы одновременно играл роль стабилизирующего пламя туннеля для центрального смесителя, направлял его пламя в центр и в то же время рассекал и направлял пламя периферийных смесителей на периферию, при этом бы происходило смешение среднего факела в центре и длинного факела на периферии в один факел, нагрев всего объема печи, увеличение срока службы горелки, улучшение процесса набивки и обмуровки горелки в тепловом или плавильном агрегате, возможность регулирования расхода воздуха у периферийных смесителей.
Технический результат - разработанная конструкция горелки позволяет получить длинный на периферии и средний факел в центре, разработанная конструкция туннель-рассекателя одновременно играет роль стабилизирующего пламя туннеля для центрального смесителя, направляет его пламя в центр и в то же время рассекает и направляет пламя периферийных смесителей на периферию, при этом происходит смешение среднего факела в центре и длинного факела на периферии в один факел, происходит нагрев всего объема печи, кроме того, применение жаростойких и жаропрочных материалов значительно увеличивают срок службы горелки, введение новых элементов конструкцию приводит к улучшению процесса набивки и обмуровки горелки в тепловом или плавильном агрегате, а также имеется возможность регулирования расхода воздуха у периферийных смесителей.
Это достигается тем, что в устройство «Горелка», содержащая стабилизирующий пламя туннель, огнеупорную набивную массу, 9 цилиндрических смесителей, объединенных общей сварной газораспределительной камерой, в каждом смесителе просверлено четыре сопла под углом 25° к их осям, отличается тем, что согласно предлагаемому изобретению содержит кожух, приваренный к цилиндрической газораспределительной камере, в который набивается огнеупорная набивная масса, литой стабилизирующий пламя туннель, который надевается снизу на кожух и приваривается к нему по периметру, причем в газораспределительной камере вварены на ее периферии восемь периферийных смесителей с насадками, дающие факел длиной 2,9 метра, а в центре размещен центральный смеситель с насадкой, имеющей коническую форму, на боковой поверхности которой просверлены сорок отверстий под углом к оси смесителя, а на насадке в средней ее части приварен туннель-рассекатель, в торце приварена пластина с девятью отверстиями, при этом центральный смеситель позволяет получить сильно вытянутый эллиптической формы факел длиною 1,9 метра, кроме того, горелка содержит устройство для регулирования расхода воздуха восьми смесителей, состоящее из диска-регулятора с приваренной ручкой, двух гаек и сектора со шкалой.
Такие детали горелки, как смесители, насадки к смесителям, литой стабилизирующий пламя туннель и туннель-рассекатель, изготавливают из жаростойкого чугуна ЧХ28Н2. Жаростойкий чугун, используемый в качестве материала для изготовления смесителей, насадок к смесителям, литого стабилизирующего пламя туннеля и туннеля-рассекателя, позволяет увеличить срок службы горелки.
При этом каждый из восьми периферийных смесителя является отливкой и представляет собой трубу диаметром 61×9 мм, в которой по периферии просверлены четыре сопла под углом 26°±1° к их осям с зенковкой входной части 0,5 мм под углом 90°. В каждом из восьми периферийных смесителей с насадкой имеется насадка длиной 54 мм, на внутренней поверхности которой имеются 10 литых ребер. Литые ребра со стороны движения газовоздушной смеси имеют заходную часть «заострение» длиной 9 мм. Угол «заострения» составляет 30° 30'. В вершине «заострение» имеет радиус округления 0,2 мм, высота ребер составляет 3,7 мм. Внутренний диаметр насадки - 43 мм, длина резьбы составляет 16 мм. Насадки к смесителям в случае их обгорания (оплавления при длительной эксплуатации) заменяются новыми, что, в конечном итоге, увеличивает срок службы горелки. Центральный смеситель является отливкой и представляет собой трубу диаметром 80×9 мм и длиной 280 мм, в которой по периферии под углом 26±1° к оси смесителя просверлены четыре сопла с зенковкой входной части 1,0 мм под углом 90°. Верхняя часть центрального смесителя имеет наружную резьбу М72, а нижняя внутреннюю резьбу М72. Насадка к центральному смесителю имеет в верхней части наружнюю резьбу М72, а в нижней части имеет боковую поверхность в виде усеченного конуса, в которой просверлено в три ряда в шахматном порядке 40 отверстий диаметром 3,0 мм под углом 55° к ее оси. Кроме того, насадка к центральному смесителю имеет с торца приваренную пластину с девятью отверстиями. Это позволяет устанавливать горелки в больших котлах, в средних или больших газовых ванных отражательного типа плавильных печах, а также, в особенности, роторных печах с наклонной или горизонтальной осью вращения
Кроме того, введенный в конструкцию горелки кожух позволяет набивать огнеупорную набивную массу в пространство между смесителями до установки горелки в тепловой или плавильный агрегат, а также дает возможность просушивать и прокаливать горелку вне теплового или плавильного агрегата. Кожух предотвращает процесс осыпания огнеупорной набивной массы в процессе ее набивки. Благодаря кожуху и увеличенному расстоянию между смесителями улучшается процесс набивки горелки огнеупорной набивной массой.
Более того, экспериментально разработана автором и проверена на газовых плавильных печах следующая огнеупорная набивная масса для обмуровки горелки и набивки пространства между смесителями:
мертель муллитокорундовый ММКФ-85 ТУ 14-8-481-85;
лигносульфанат технический ТУ 13-0281036-89;
порошок молотой глины ПГБ ТУ 1522-009-00190495-99;
связующее алюмохромофосфатное МИКС ТУ 6-18-166-83;
кварцевый песок марки 1К;
вода.
Приведенная огнеупорная набивная масса после прокалки обладает высокой твердостью, высокой огнеупорностью, значительной стойкостью против осыпания при температурах до 1640°С. Срок службы горелки значительно увеличивается.
Существенно отметить, что введение в состав горелки стабилизирующего туннеля позволяет стабилизировать горение факелов восьми периферийных смесителей с насадками, а также увеличивает срок службы горелки.
Следует отметить, что введенный в состав горелки и туннель-рассекатель играет роль стабилизирующего туннеля для факела центрального смесителя, а также рассекателя для факелов, истекающих из сопел (отверстий) в боковой поверхности насадки центрального смесителя. Кроме того, туннель-рассекатель рассекает каждый из восьми факелов периферийных смесителей и вначале направляет каждый факел в пространство, образованное между внутренней конической поверхностью стабилизирующего туннеля и наружной конической поверхностью туннель-рассекателя, и далее, допустим, к стенкам роторной печи. Образуются как бы два факела: длинный факел, омывающий стенки, а в центре сильно вытянутый эллиптической формы, причем они сливаются вместе и образуют единый факел, который нагревает все пространство печи.
Наконец, введение в горелку устройства для регулирования расхода воздуха восьми смесителей, состоящее из: диска-регулятора с приваренной ручкой, двух гаек и сектора со шкалой позволяет регулировать инжектируемый в восемь смесителей горелки воздух.
Введение в конструкцию горелки вышеперечисленного позволяет успешно решить поставленную задачу.
На фиг.1 показан вид горелки сверху.
На фиг.2 изображен разрез А-А предлагаемой горелки.
На фиг.3 показан периферийный смеситель с насадкой.
На фиг.4 показан центральный смеситель с насадкой.
На фиг.5 показан туннель-рассекатель.
Предлагаемое изобретение «Горелка» состоит из девяти смесителей, объединенных общей цилиндрической газораспределительной камерой 1, к которой, также как и в прототипе, приварен штуцер 2, по которому подается природный газ. Цилиндрическая газораспределительная камера 1 литая, в ней просверлено по периферии восемь отверстий диаметром 56 мм, в которые вставлены и герметично заварены восемь периферийных 3 смесителей с насадками 4, а в центре просверлено отверстие диаметром 73 мм, в которое вставлен и герметично заварен центральный 5 смеситель с насадкой 6 (фиг.1, 2).
Каждый периферийный 3 смеситель с насадкой 4 является отливкой и представляет собой трубу диаметром 61×9 мм и длиной 270 мм, в которой по периферии под углом 26°±1° к оси смесителя просверлены четыре сопла 7 с зенковкой входной части 0,5 мм под углом 90° (фиг.3). Диаметр сопел 7 и диаметр периферийного 3 смесителя выбираются исходя из условий обеспечения расчетного расхода газа одним смесителем. Верхняя часть периферийного 3 смесителя обтачивается до диаметра 55 мм, на нижнюю часть нарезается резьба, на которую навинчивается насадка 4. В каждой насадке 4 длиной 54 на внутренней поверхности имеются десять литых ребер 8. Литые ребра 8 со стороны движения газовоздушной смеси имеют заходную часть «заострение» длиной 9 мм. Угол «заострения» составляет 30° 30'. В вершине «заострение» имеет радиус округления 0,2 мм, высота ребер составляет 3,7 мм. Внутренний диаметр насадки - 43 мм, длина резьбы составляет 16 мм. Каждый периферийный 3 смеситель с насадкой 4 получается литьем по выплавляемым моделям из жаростойкого чугуна марки ЧХ28Н2. Смеситель с насадкой, имеющей на внутренней поверхности литые ребра при горении газовоздушной смеси, имеет факел длиной 2,9 метра. Насадки 4 к периферийным 3 смесителям в случае их обгорания (оплавления при длительной эксплуатации) заменяются на новые, что, в конечном итоге, увеличивает срок службы горелки. В центре общей цилиндрической газораспределительной камеры 1 приварен центральный 5 смеситель с насадкой 6, причем смеситель в верхней части имеет наружную резьбу 9, а на насадке 6 в средней ее части приварен туннель-рассекатель 10 (фиг.2, 4).
Центральный 5 смеситель с насадкой 6 получается литьем по выплавляемым моделям из жаростойкого чугуна марки ЧХ28Н2 (фиг.2, 4). Центральный 5 смеситель является отливкой и представляет собой трубу диаметром 80×9 мм и длиной 280 мм, в которой по периферии под углом 25°±1° к оси смесителя просверлены четыре сопла 7 с зенковкой входной части 0,5 мм под углом 90° (фиг.3). Диаметр сопел 7 и диаметр центрального 5 смесителя выбираются исходя из условий обеспечения расчетного расхода газа одним смесителем. Верхняя часть центрального 5 смесителя имеет наружную резьбу М72, а нижняя внутреннюю резьбу М72. Насадка 6 к центральному 5 смесителю имеет в верхней части наружнюю резьбу М72, а в нижней части имеет боковую поверхность в виде усеченного конуса, в которой просверлено в три ряда в шахматном порядке 40 отверстий под углом 55° к ее оси диаметром 3,0 мм, Кроме того, насадка 6 к центральному смесителю 5 имеет с торца приваренную пластину 11 с девятью отверстиями 12 разного диаметра. Верхняя часть центрального 5 смесителя вставляется в центральное отверстие цилиндрической газораспределительной камеры 1 и герметично заваривается в ней с двух сторон. Насадку 6 к центральному 5 смесителю изготавливают из нержавеющей жаростойкой и жаропрочной стали аустенито-ферритного класса марки 40 Х24 Н12СЛ. Центральный 5 смеситель с насадкой 6 позволяет получить сильно вытянутый эллиптической формы факел длиной 1,9 метра.
К цилиндрической газораспределительной камере 1 приварен по периметру кожух 13 из листовой нержавеющей стали толщиной 3 мм, в который набивается огнеупорная набивная масса 14. Введенный в конструкцию горелки кожух 13 позволяет набивать огнеупорную набивную массу в пространство между смесителями до установки горелки в тепловой или плавильный агрегат, а также дает возможность просушивать и прокаливать горелку вне теплового или плавильного агрегата. Кожух 13 предотвращает процесс осыпания огнеупорной набивной массы в процессе ее набивки. Благодаря кожуху 13 и увеличенному по сравнению с прототипом расстоянию между смесителями улучшается процесс набивки горелки огнеупорной набивной массой 14. Обмуровка горелки и набивка пространства между смесителями производится огнеупорной набивной массой 14, которую экспериментально разработал автор и проверил на действующих в Пензе газовых плавильных печах. Огнеупорная набивная масса 14 для обмуровки горелки и набивки пространства между смесителями имеет следующий состав:
мертель муллитокорундовый ММКФ-85 ТУ 14-8-481-85;
лигносульфанат технический ТУ 13-0281036-89;
порошок молотой глины ПГБ ТУ 1522-009-00190495-99;
связующее алюмохромофосфатное МИКС ТУ 6-18-166-83;
кварцевый песок марки 1К;
вода.
Приведенная огнеупорная набивная масса 14 после прокалки обладает высокой твердостью, высокой огнеупорностью, значительной стойкостью против осыпания при температурах до 1640°С. Срок службы горелки при этом значительно увеличивается.
Процесс приготовления огнеупорной набивной массы 14 следующий: замачивают порошок молотой глины в течение суток, далее добавляют порциями мертеля муллитокорундового и кварцевого песка, вся масса постоянно тщательно перемешивается, добавляется лигносульфанат технический и также все тщательно перемешивается. В заключении при перемешивании выливается в смесь связующее МИКС и вода. После набивки огнеупорной набивной массой пространства между смесителями горелка прокаливается при температуре 600-700°С в течение двух часов.
Существенно отметить, что введение в состав горелки стабилизирующего туннеля 15 позволяет стабилизировать горение факелов восьми периферийных 3 смесителей с насадками 4, а также увеличивает срок службы горелки. При этом горелочный туннель представляет собой цилиндр с внутренним диаметром 560 мм и толщиной стенки 14 мм, переходящий в конус.
На кожух 13 надевается снизу отлитый из жаростойкого чугуна ЧХ28Н2 стабилизирующий туннель 15 и приваривается к нему по периметру. Конструкция стабилизирующего туннеля 15 позволяет устанавливать горелку в тепловой или плавильный агрегат с любой толщиной стенки. Это обстоятельство позволяет использовать горелку в больших котлах, в средних и больших газовых ванных отражательного типа плавильных печах, а также в роторных печах с наклонной или горизонтальной осью вращения. Для крепления горелки к траверсе роторной печи или к стенке печи, котла, в горелке предусмотрено стальное кольцо 16, которое приваривается по периметру с двух сторон к стабилизирующему туннелю 15. В стальном кольце имеется шесть отверстий 17 диаметром 16 мм.
В состав горелки введен туннель-рассекатель 10, который играет роль стабилизирующего туннеля для факела центрального 5 смесителя, а также рассекателя для факелов, истекающих из сопел (отверстий) в боковой поверхности насадки 6 центрального 5 смесителя (фиг.5). Кроме того, туннель-рассекатель 10 рассекает каждый из восьми факелов периферийных 3 смесителей и вначале направляет каждый факел в пространство, образованное между внутренней конической поверхностью стабилизирующего туннеля 15 и наружной конической поверхностью туннель-рассекателя 10 и далее, допустим, к стенкам роторной печи. Образуются как бы два факела: длинный факел, омывающий стенки, а в центре сильно вытянутый эллиптической формы, причем они сливаются вместе и образуют единый факел, который нагревает все пространство печи.
В конструкцию горелки введено устройство для регулирования расхода воздуха восьми периферийных 3 смесителей, состоящее из: диска-регулятора 18 с приваренной ручкой 19, двух гаек 20 и сектора 21 со шкалой, которое позволяет регулировать инжектируемый в восемь смесителей горелки воздух.
Диск-регулятор 18 изготовлен методом штамповки из стального листа толщиной 4 мм и имеет диаметр, равный внешнему диаметру цилиндрической газораспределительной камеры 1. В диске-регуляторе 18 просверлено девять отверстий, которые соосны с отверстиями смесителей, вваренных в цилиндрическую газораспределительную камеру 1, и имеют тот же диаметр, сверху диска-регулятора 18 приварена ручка 19, с помощью которой можно поворачивать диск-регулятор 18 относительно центрального смесителя 5. В верхней части цилиндрической газораспределительной камеры 1 приварен «заподлицо» с верхней плоскостью газораспределительной камеры 1 сектор 21 с нанесенной шкалой как показано на фиг.1. На диске-регуляторе 18 нанесена стрелка. Допустим, для конкретного состава природного газа обеспечивается полное сгорание газа на цифре, к примеру, единица, следовательно, это оптимальный расход горелкой природного газа при данном давлении и мы фиксируем двумя гайками 20 диск-регулятор 18 относительно отверстий периферийных 3 смесителей. Гайки 20 периодически рекомендуется подтягивать. Расчетная мощность горелки составляет 1,8 МВт.
Горелка работает следующим образом. Газ под давлением подается через канал штуцера 2 в цилиндрическую газораспределительную камеру 1. Вытекающие из газовых сопел струи газа инжектируют из атмосферы воздух, необходимый для горения, который по каналу 22 попадает в камеру 23 предварительного смешения, где происходит предварительное смешение газа и засасываемого воздуха (фиг.3, 4). Сгорание основной части газовоздушной смеси происходит в стабилизирующем туннеле 15 и туннеле-рассекателе 10, остальной части - в камере горения котла или печи. При смешении описанных выше факелов образуется единый факел, который нагревает все пространство печи. Регулировка расхода воздуха обычно производится при опытных, экспериментальных плавках на печи, а также при изменении давления или состава подаваемого в горелки газа. Горелка испытана на испытательном стенде в лаборатории ООО «Пензаплав» г. Пенза, форма и длина факелов, а также некоторые характеристики приведены в описании выше. Необходимым условием нормальной работы горелки является наличие разряжения в камере горения в пределах 1,5÷20 даПа (мм вод. ст.).
Номинальное давление газа перед горелкой 0,08 МПа. Существенно отметить, что для увеличения длины факела периферийных 3 смесителей с насадками 4 внизу, на внутренней конической поверхности стабилизирующего туннеля 15, отлиты двадцать восемь ребер 24. На фиг.2 они показаны, а на фиг.1 пунктирными линиями не показаны. Конструкция горелки со стабилизирующим туннелем 15 без двадцати восьми ребер 24 позволяла получить от периферийных 3 смесителей с насадками 4 при горении газовоздушной смеси факел длиной только 2,6 метра. Данные получены при испытании горелки на испытательном стенде в лаборатории ООО «Пензаплав» г. Пенза.
Горелку можно легко зафутеровать, закрепить на траверсе роторной печи и установить одну или несколько штук в плавильном или другом тепловом агрегате. Благодаря наличию стабилизирующего туннеля горелка может быть быстро установлена и обмурована в тепловом или плавильном агрегате с любой толщиной стенки.