ГАЗОВАЯ ГОРЕЛКА ДЛЯ ВРАЩАЮЩИХСЯ ПЕЧЕЙ

Газовая горелка для вращающихся печей.
Полезная модель относится к горелочным устройствам теплотехнических агрегатов и может быть использовано в металлургической промышленности и промышленной теплотехнике.
Из предшествующего уровня техники известна горелка, содержащая корпус с коаксиально размещенной в нем камерой сгорания, снабженной на входе центральным топливным соплом и образованной днффузорным входным участком, примыкающим к цилиндрическому, на выходе из которого размещено кольцевое топливное сопло, см АС СССР № 606033, М. кл F 23 Д 13/00.
Недостатком известной горелки являются высокие потери энергии, связанные с разделением и разворотом потока, а также с соударением встречных потоков. Кроме того, горение в камере характеризуется недостаточной стабильностью.
Известна также горелка, в которой подача газа в смесительную камеру осуществляется пучком параллельных относительно друг друга газоподводящих труб, закрепленных в трубной доске, которая размещена в цилиндрическом корпусе, являющемся продолжением смесительной камеры, а выходные снабжены в торце глухими перегородками, превышающими наружный диаметр последних в 1,05-1,2 раза, а в боковых стенках - радиальными отверстиями, размещенными несколькими поперечными рядам.и в шахматном порядке, причем суммарная площадь сечений всех газоподводящих труб равна площади поперечного сечения межтрубного пространства корпуса, см А.С.СССР № 918672, М. кл. F 23 D 14/00, 1982г.
Эта горелка, позволяет достичь равномерного распределения газа в воздушном потоке. Однако истечение газа из газоподающих труб через боковые радиальные отверстия поперек воздушного потока создает дополнительное гидравлическое сопротивление на пути движения воздуха, газа и образующейся газовоздушной смеси.
За прототип полезной модели авторами выбрана газовая вихревая реверсивная горелка с регулируемой длиной факела (ГВП) конструкции ГипроНИИгаз, см. Ю.В. Иванов, «Газогорелочные устройства, М., Недра, 1972г., с. 117-118, рис 2.53а.
М.кл. F 23 D 11/36; 13/00; 14/00.
Эта горелка, предназначенная для вращающихся печей обжига цементного клинкера, керамзита, извести, агломератов черной и цветной металлургии и т д, содержит корпус с сопловым отверстием, завихритель с лопатками, подвижный дроссель с механизмом его перемещения.
Конструкция этой горелки позволяет за счет изменения положения завихрителя газа, регулировать подачу (аза в сопло горелки. Возможен режим работ, при котором газ не проходи между лопатками завихрителя т. е. не завихряется, что приводит к удалению факела от горелки. При промежуточных положениях завихрителя часть проходящего газа приобретает большее или меньшее вращательное движение, что позволяет перемещать факел и зону наивысшей температуры вдоль печи. Для повышения пределов регулирования и изменения светимости факела предусмотрена возможность изменения давление газа в горелке (сохраняя ее производительность) за счет изменения проходного соплового сечения посредством перемещения дросселя.
Однако, угол раскрытия факела в этой горелке составляет до 90°, что обусловлено выполнением дросселя, который фактически является завихрителем потока газа. Это приводит к снижению диапазона регулирования горелки и невозможности обеспечения полного сжигания топлива в зонах спекания вращающихся печей, а также к снижению стойкости футеровки этих печей.
Следует отметить, что при работе горелок по аналогам и прототипу характерным является наличие скачка температуры в зоне горения с усиление крупномасштабной турбулентности пламени и его пульсации, которая часто бывает даже слышимой у головки печи. Нестационарность факела усиливается также из-за того, что точка воспламенения смеси колеблется в печи в осевом и радиальном направлении вследствие воздействия на нее крупномасштабных вихрей вторичного воздуха, истекающих из шахты холодильника. Такое крайне нестационарное пламя с наличием пика температуры приводит к очень бысфому износу огнеупорной футеровки печи. Сложилось мнение, что уменьшить длину факела на вращающейся печи невозможно из-за быстрого прожога футеровки. На практике для уменьшения тепловой нагрузки на футеровку печи, устанавливают режим с предельно низкой скоростью истечения газа из сопла горелки. Например, устанавливают избыточное давление газа перед горелкой в 0.1 кг/см2, что примерно соответствует скорости истечения газа в 80 м/с. Однако, значительного приближения точки воспламенения топлива к соплу не происходит, в частности по причине крайне медленного смешения топлива с воздухом вследствие недостаточности кинетической энергии (импульса) газа для быстрого образования горючей смеси и конструктивных недостатков горелки Такой режим эксплуатации горелочныч устройств хотя и устраняет пик температуры, но приводит к тепловой нестационарности процесса обжига клинкера с колебаниями локальной температуры атмосферы печи, а также к вялому, бесформенному пламени с низкой 1емпературой и очень большой С1ененью недожога топлива в зоне спекания. При этом горючие газы и их производные догорают в виде отдельных зон почти по всей длине печи, что почти не увеличивает срок службы огнеупорной футеровки, которая (так же как и практически любой другой материал) более быстро разрушается вследствие переменных тепловых деформаций, чем от более высокой по абсолютной величине, но стационарной тепловой нагрузки (Имеется в виду, что характерное для нестационарного пламени чередующееся воздействие на футеровку горячих вихрей пламени и более холодных вихрей вторичного воздуха имеет гораздо большие разрушающие последствия чем более интенсивный но стационарный тепловой поток от стабильного пламени) При регулировании процесса горения с помощью серийных горелок посредством осевого передвижения в сопле дросселя с завихрителем, точка воспламенения топлива не приближается к соплу горелки, при этом в печи не возникают зоны рециркуляции продуктов сгорания, стабилизирующие процесс горения. Однако, при хорошей настройке серийных горелок в результате длительных наладочных работ высококвалифицированными специалистами возможна их удовлетворительная работа Но такая наладка является индивидуальной «точечной и не позволяет оперативно реагировать на возможные изменения условии обжига клинкера и требует для любой другой печи новых сложных и длите пьных нападочных работ
Технической задачей, на решение которой направлена полезная модель, является упрощение конструкции; расширение диапазонов регулирования горелки и обеспечение полного сжигания топлива в липах спекания вращающихся печей
Решение поставленной задачи достигается тем, что горелка, содержащая корпус с патрубком подвода газа с центральным сопловым отверстием, расположенным в его конической торцевой выходной части, установленными по оси корпуса завихрителем с лопатками и подвижным дросселем-рассекателем, снабженным механизмом его перемещения, согласно полезной модели, подвижный дроссель-рассекатель выполнен в виде тела «Коанда, установленного с частичным выходом за обрез соплового отверстия корпуса горелки с образованием с ним кольцевого зазора, при этом коническая торцевая часть горелки
снабжена, сообщенными с полостью корпуса, наклонными каналами, равномерно расположенными по ее окружности.
В предпочтительных вариантах выполнения, частично выступающая за пределы выходного обреза канала сопла корпуса горелки, длина выступающей часть дросселя-рассекателя, в крайнем - вдвинутом положении, составляет не более 1/2 общей его длины; максимальная величина осевого хода дросселярассекателя составляет на менее величины диаметра соплового отверстия корпуса; наклонные каналы, расположены равномерно асимметрично (в плане с стороны выхода сопла), в верхней или нижней полуокружности конической торцевой части корпуса горелки; угол наклона каналов, размещенных на конической выходной торцевой части корпуса, составляет 25-3 5V; суммарная площадь проходных сечений наклонных каналов составляет не менее площади кольцевого зазора, в положении полностью вдвинутого вовнутрь сопла корпуса дросселя-рассекателя; площадь максимального внутреннего диаметра соплового отверстия корпуса и максимального диаметра дросселя-рассекателя составляет 0.98 - 1.15; угол конусности дросселя-рассекателя в направлении со стороны входа в сопло горелки составляет 11 - 46 , а в направлении со стороны выхода из горелки не менее 21°; корпус горелки дополнительно снабжен соосным, охватывающим его кожухом, снабженным патрубком подвода окислительного газа, например, кислородом или компрессорного воздуха; отношение максимального диаметра корпуса и диаметра кожуха в кольцевом зазоре между корпусом и кожухом составляет 0,5-1,0; выходные обрезы кожуха и соплового отверстия корпуса расположены на одном уровне.
Описание полезной модели иллюстрируется чертежами, где:
-на фиг. 1 схематично изображено размещение горелки по отношению к туннельной печи и вспомогательных устройств;
-на фиг. 2 изображен продольный разрез горелки (вариант выполнения);
-на фиг. 3 изображен продольный разрез выходной части горелки (увеличено);
-на фиг. 4 изображен вид А на фиг. 2;
-на фиг. 5 изображен общий вид варианта, изображенного на фиг. 1 (аксонометрия);
-на фиг. 6 изображена аксонометрия варианта выполнения горелки.
4 тель с лопатками 5 и подвижный дроссель-рассекатель 6, снабженным механизмом его перемещения 7.
Птвижный дроссель-рассекатель 6 выполнен в виде тела «Коанда и установлен с частичным выходом за обрез сопла 3 с образованием с ним кольцевого зазора в виде сопла 3. Выходная коническая часть 4 горелки снабжена, сообщенными с полостью корпуса 1, наклонными каналами 8, равномерно расположенными по окружности этой части горелки.
В предпочтительных вариантах выполнения, длина частично выступающей за пределы выходного обреза канала сопла 3 корпуса горелки 1, части дросселя-рассекателя 6, в крайнем - вдвинутом положении, составляет не более 1/2 общей его длины. Максимальная величина осевого хода дросселярассекателя 6 составляет на менее величины диаметра сопла 3 корпуса 1. Наклонные каналы 8, расположены равномерно асимметрично (в плане с стороны выхода сопла 3), причем эти каналы расположены в нижней полуокружности конической торцевой части 4 корпуса 1 горелки, а угол их наклона к оси горелки составляет 25-35°. Суммарная площадь проходных сечений наклонных каналов 8 составляет не менее площади кольцевого зазора 3, в положении полностью вдвинутого дросселя-рассекателя 6. Площадь сопла 3 составляет 1.05 - 1.15 максимальной площади дросселя-рассекателя 6. Угол конусности дросселярассекателя 6 в направлении со стороны входа в сопло 3 составляет 11 - 46°, а в направлении со стороны выхода из горелки не менее 21°
В одном из предпочтительных вариантов выполнения, корпус 1 горелки дополнительно снабжен соосным, охватывающим его кожухом 9, снабженным патрубками 10 и И, предназначенными для подвода окислительного газа, например, кислорода и/или компрессорного воздуха; отношение наружного диаметра корпуса 1 и внутреннего диаметра кожуха 9 (в кольцевом зазоре между корпусом и кожухом) составляет 0.5 - 1.0, при этом, выходные обрезы кожуха 9 и сопла 3 в корпусе 1 расположены на одном уровне.
Горелка работает следующим образом.
При работе горелки по первому варианту выполнения, см. фиг. 1, газ подается в полость корпуса 1 и при проходе через лопатки 5 завихрителя, турбулизируется и далее разделяется на два потока. Один поток в виде центральной закрученной струи истекает из кольцевого сопла 3, а другой в виде периферийных струй - из наклонных каналов 8. При обтекании центральной струей, истекающей из кольцевого
5 сопла 3 наклонных поверхностей дросселя-рассекателя 6 в струю за счет эффекта Коанда эжектируется
воздух из прилегающей к этой струе области, при этом периферийные струи, истекающие из наклонных каналов 8 образуют турбулизированную газовоздушную зону в области печи 12, в которой осуществляется перемешиванию газа и воздуха с образованием газовоздушной смеси в зоне горения факела, расположенной на некотором расстоянии от сопла, где происходит ее интенсивное сгорание. Для сведения, Коанда экспериментально установил, что изгибаемая газовая струя засасывает (эжектирует) воздух из окружающего пространства, и его количество может в двадцать раз превышать количество воздуха в самой струе, см., например, Г. Смирнов, «Рожденные вихрем, М., Знание, 1982г., с. 180. За счет этого эффекта процесс сгорания газовоздушной смеси в зоне горения интенсифицируется. Регулировка длины факела осуществляется за счет изменения скорости истечения газа из кольцевого сопла 3 и каналов 8, что достигается степенью перекрытия сопла 3 дросселем-рассекателем 6 при его продольном (относительно корпуса горелки) перемещении с помощью механизма 7. При полностью вдвинутом или выдвинутом положении дросселя-рассекателя 6 площадь кольцевого зазора минимальна или максимальна.
Работа горелки, выполненной с дополнительным кожухом 9, см. вариант выполнения, изображенный на фиг.6, осуществляется следующим образом.
Так же как и в первом варианте выполнения, газ истекает из горелки в виде центрального закрученного потока и периферийных струй. При подачи в кожух 9 через патрубки 10 и 11 окислителя и/или вентиляторного воздуха, (их смешение которых происходит внутри кожуха), истекающие из каналов 8 периферийные струи вступают во взаимодействие со струей, истекающей из кольцевой щели 12 между кожухом 9 и корпусом 1 горелки. Это приводит к отклонению периферийных струй и перемещению зоны горения факела в направлении от горелки.
Таким образом, в этом варианте выполнения горелки наличие кожуха 9 позволяет осуществлять дополнительное регулирование длины факела и температуры его горения.
Проведенными исследованиями установлено, что в некоторых случаях, например для повышения стойкости футеровки печей, целесообразно, чтобы наклонные каналы 8 были выполнены асимметрично и расположены равномерно (в плане с стороны выхода сопла 3) в нижней полуокружности конической торцевой части 4 корпуса 1 горелки. При работе горелки по этому варианту выполнения, струи газа, ис6
текающие из асимметрично расположенных каналов 8 турбулизируют преимущественно область, прилегающую непосредственно к слою обжигаемого материала, при этом зона горения факела «прижимается к этому слою и имеет уплощенную форму. Такое же расположение каналов 8 может быть выполнено и в варианте выполнения горелки с дополнительным кожухом 9.
На фиг. 1 показано взаимное расположение горелки вращающейся печи и вспомогательных устройств. При работе печи 12 обрабатываемый материал, например, известь обжигается посредством факела, генерируемого горелкой 1 и ссыпается в холодильник 13. Воздух подается в печь посредством вентилятора 14. При использовании горелки с кожухом, воздух может подаваться непосредственно в кожух 9. При необходимости значительного повышения температуры факела, через патрубок 10 может подаваться окислитель - С. Следует отметить, что в горелку может подаваться совместно и окислитель и вентиляторный воздух, или только окислитель, или только вентиляторный воздух.
Производственные испытания предложенных вариантов конструкции горелки показали, что увеличение или уменьшение теплового потока на материал достигается изменением формы факела, причем при любой его форме температура горения сохраняется примерно постоянной и максимально возможной для данных условий, а степень недожога в зоне спекания минимальна. Такие условия горения достигаются тем, что точка воспламенения топлива находится практически на срезе горелки, то есть зафиксирована в пространстве, а горение топлива происходит при равномерном подводе вторичного воздуха к пламени, причем осуществляется активная внутренняя рециркуляция горючих и негорючих продуктов сгорания. Конструкция предложенного горелочного устройства позволяет реализовать этот процесс горения во вращающихся печах независимо от типа и характеристики печи и холодильника, температуры вторичного воздуха, химического состава материала, требуемой температуры в зоне спекания и т. д., то есть предложенная горелка универсальна. Испытания предлагаемых вариантов конструкции горелки также показали, что их применение повышает производительность печей, снижает удельный расход газа на 5-10% и значительно повышает стойкость футеровки, следовательно увеличивается межремонтный срок работы вращающихся печей.