СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ ГОРЕНИЯ ГАЗООБРАЗНОГО ТОПЛИВА
METHOD TO REGULATE PARAMETERS OF GASEOUS FUEL COMBUSTION

Изобретение относится к способам организации горения при раздельной подаче газообразного топлива, например природного газа, и воздуха, образующих при воспламенении диффузионный факел, размеры которого зависят от интенсивности турбулентной диффузии при смешении топлива с воздухом, а не от скорости химических реакций.
Например, при производстве цементного клинкера во вращающихся печах воздух поступает на горение по всему свободному поперечному сечению печи, а для подачи природного газа применяют специальные горелки, позволяющие за счет изменения условий вылета топлива регулировать длину и форму факела горящего топлива.
7
Наиболее простой и надежный способ регулирования параметров факела возможен с помощью двухпроводной горелки, содержащей два канала для подачи газообразного топлива - центральный и кольцевой. Изменение расходов топлива через эти каналы приводит к соответствующему изменению скоростей вылета струй топлива из горелочного устройства, что непосредственно влияет на длину, форму и положение факела в печи. Например, в патенте №859762 МПК F23C 5/00 «Способ сжигания газообразного топлива и устройство для его осуществления» предусмотрено подавать часть газообразного топлива по центральному каналу, а остальную часть через аксиальные периферийные отверстия. При этом соотношение скоростей вылета топлива через периферийные и через центральный каналы лежит в диапазоне 0,05-0,12. Здесь не учтено, что низкоскоростная периферийная струя является крайне неустойчивой и не предложены меры для ее стабилизации.
Как показало компьютерное моделирование, при снижении скорости вылета газообразного топлива длинный «вялый» факел поднимается вверх под воздействием выталкивающей силы и стелется по футеровке печи, создавая недожог из-за плохого смешения с воздухом (см., например, статью Кузнецов В.А., Рязанцев О.А., Трулев А.В. Численное моделирование горения и теплообмена в цементной вращающейся печи. // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2011, №4. С.161-163).
Для того чтобы усилить полезную теплоотдачу факела, иногда рекомендуется наклонять горелку к обжигаемому материалу до 3%, то есть менее чем до 2° к оси печи (см., например, книгу Классен В.К. Технология и оптимизация производства цемента. Белгород: Изд-во БГТУ, 2012, с.87). При этом угол наклона горелки не ставится в соответствие скорости вылета топлива, что ограничивает технические возможности регулирования параметров факела.
7
Имеются также и другие патенты, в которых рассматриваются многоканальные горелки с подачей газообразного топлива, по крайней мере, по двум каналам (№2 694 623 МПК F23D 14/32 «Bruleurs oxycombustibles», №4,878,829 F23C 5/00 «Fuel jet burner and combustion method»). Во всех этих патентах способы регулирования длины, формы и положения факела в рабочем пространстве никак не оговариваются.
7
Наиболее близким к предлагаемому изобретению аналогом является «Способ управления размерами газового факела и газовая горелка для его осуществления» (патент на изобретение №2237218 C2 МПК F23D 14/24). В этом изобретении предложено регулировать длину факела, изменяя долю газообразного топлива, проходящего по двум каналам горелки, но не определены соотношения площадей этих каналов, углы наклона горелки и другие условия, необходимые для достижения требуемых параметров горящего факела.
Целью данного изобретения является расширение диапазона регулирования размеров, формы и положения факела в рабочем пространстве печи, обеспечивающее полноту сгорания газообразного топлива и эффективность теплоотдачи. Поставленная цель достигается за счет того, что соотношения выходных площадей центрального и кольцевого сопел выдерживают в пределах 1,5…2,5, через кольцевое сопло подают не менее половины общего расхода топлива, а угол наклона горелки по вертикали вниз от продольной оси печи изменяют в пределах от 2 до 12° при возрастании расхода топлива через центральное сопло.
Современное компьютерное моделирование позволило выявить специфические условия рациональной организации горения природного газа и теплообмена во вращающихся печах "мокрого" способа производства цементного клинкера. Оно показало, что формирование эффективного длинного факела горящего топлива возможно только при низкой скорости вылета газообразного топлива из сопла горелки, в то время как для устойчивости положения факела в печи, наоборот, необходима высокая скорость движения топлива. Эти противоречивые требования к способу сжигания топлива возможно совместить в одном и том же двухканальном горелочном устройстве, если выбрать соотношение выходных площадей центрального и кольцевого сопел 1,5…2,5, а через кольцевое сопло подавать не менее половины общего расхода топлива.
Поскольку скорость вылета топлива обратно пропорциональна площади сопла, то через центральное сопло на любом режиме работы горелки, удовлетворяющем этим условиям, газообразное топливо будет выходить с пониженной скоростью, создающей необходимую длину факела, и одновременно, скорость вылета газообразного топлива через сопла кольцевого канала сохранит высокие значения. Высокоскоростная кольцевая струя формирует требуемые геометрические параметры факела горящего топлива и оптимальное распределение температуры газообразной среды по его длине.
Для компенсации влияния выталкивающей силы, стремящейся приподнять горящий факел в окружающей среде с пониженной температурой, снижение расхода газообразного топлива через кольцевой канал до половины его общего расхода через горелку следует сопровождать соответствующим увеличением угла наклона горелки по вертикали вниз к продольной оси печи в диапазоне от 2 до 12°.
Так как при эксплуатации печей возникают непредвиденные колебания теплового режима, то на практике возникает необходимость временного уменьшения длины факела горящего топлива. В этом случае повышение доли расхода топлива через кольцевой канал горелки от 0,5 до 1 приводит к увеличению скорости истечения топлива через сопла этого канала и к соответствующему укорочению диффузионного факела. Одновременно уменьшают наклон горелки в диапазоне от 12 до 2°, что создает достаточное его удаление от стен печи, предохраняющее их от пережога и разрушения. В результате обеспечивается устойчивое полное сгорание газообразного топлива при различных длинах факела.
Отличительные признаки изобретения значительно расширяют диапазон регулирования длины диффузионного факела и создают возможность плавного изменения его параметров. Достигаемым при этом техническим результатом являются наиболее близкие к оптимальным условия обжига технологического материала, устранение возможного перегрева клинкера в зоне спекания вращающейся печи и снижение амплитуды температурных колебаний внутренней поверхности футеровки печи, повышение интенсивности теплоотдачи в зоне декарбонизации клинкера. В результате повышается качество клинкера, стойкость футеровки печи и снижается расход топлива на обжиг клинкера. Соответствие наклона горелки доле расхода топлива через кольцевой канал обеспечит рациональное рабочее положение факела относительно обжигаемого материала, предотвращая как недожог топлива, так и пережог футеровки.
Чтобы создать условия для быстрого воспламенения и повысить устойчивость горения, вылет топлива по окружности кольцевого сопла может осуществляться в виде отдельных струй, чередующихся с участками, закрытыми для выхода топлива, что ускоряет нагрев и смешение с воздухом низкоскоростной топливной струи, вытекающей из центрального сопла горелки.
На фиг.1 представлен продольный разрез двухпроводной горелки, с помощью которой возможно осуществление предлагаемого способа сжигания топлива, и вид на выходные сопла горелки (вид А). Топливо одновременно подается по двум каналам - центральному 1 и кольцевому 2, имеющим соосные выходные сопла 3 и 4, причем выходное сопло 4 кольцевого канала 2 может быть разделено на отдельные отверстия 5 для вылета струй топлива, чередующиеся с закрытыми участками 6, через которые топливо не проходит. Для обеспечения необходимого расхода газообразного топлива через кольцевой канал 2 горелки предусмотрены регулирующий вентиль 7 и запорный вентиль 8. Общий расход топлива через горелку задается специальным регулятором (на фиг.1 не показан). Воздух, необходимый для горения, поступает в пространство, окружающее горелку, в направлении подачи топлива.
При работе горелки, установленной на вращающейся печи, запорный вентиль 8 может быть открыт полностью, в то время как регулирующий вентиль 7 может находиться в одном из трех положений - полностью открытом, частично открытом или полностью закрытом. При полностью открытом вентиле 7 топливо распределяется по центральному 1 и кольцевому 2 каналам примерно в равных долях. При частично открытом вентиле 7 расход топлива через центральный канал уменьшается, за счет чего больше топлива поступает в кольцевой канал 2. При полностью закрытом вентиле 7 топливо полностью проходит через кольцевой канал 2.
При постоянном общем расходе газообразного топлива, вылет его осуществляют одновременно через сопло 3 центрального канала 1 и через выходное сечение сопла 4 кольцевого канала 2, причем вылет топлива через сопло 4 производится со скоростью, как правило, превышающей 200 м/с. Чтобы обеспечить образование оптимального длинного факела в данном изобретении предлагается, при полностью открытом вентиле 7, создавать скорость вылета топлива из сопла 3 центрального канала 1 меньше в 1,5…2,5 раза, чем через сопло 4 кольцевого канала 2, поэтому для достижения рационального соотношения скоростей вылета топливных струй центральное сопло 3 горелки должно иметь площадь в 1,5…2,5 раза больше площади выходного сечения кольцевого сопла 4. В результате максимальная скорость вылета топлива из центрального сопла 3 составляет не более 80…140 м/с и, в случае необходимости уменьшения длины факела, ее снижают вплоть до нуля, закрывая полностью вентиль 7, что приводит к соответствующему увеличению скорости вылета топлива через сопло 4 кольцевого канала 2.
Изменяя долю расхода газообразного топлива через кольцевой канал в диапазоне от 1 до 0,5 от его общего расхода через горелку при указанном соотношении выходных площадей сопел центрального 1 и кольцевого 2 каналов, создают факел с различной длиной области горения. Непременным условием осуществления рассматриваемого способа регулирования является соответствие скорости вылета топлива из горелки и угла наклона горелки по вертикали вниз. По мере уменьшения доли топлива, подаваемой через кольцевой канал, угол наклона горелки к продольной оси печи следует увеличивать вплоть до 12°. И, наоборот, по мере увеличения доли топлива, подаваемой через кольцевой канал, угол наклона горелки к продольной оси печи следует уменьшать вплоть до 2°.
При численном моделировании горения природного газа во вращающейся печи с диаметром корпуса 5 м при площади сопла центрального канала, превышающей вдвое площадь сопел кольцевого канала горелки, предельные размеры короткого "жесткого" и длинного "вялого" факела составили соответственно 22 м и 40 м, что обеспечило достаточно широкий диапазон изменения области горения и позволило создать условия для плавного регулирования температуры и теплообменных параметров факела.
Недостатком высокоскоростного вылета природного газа является его запоздалое воспламенение на расстоянии нескольких метров от кольцевого сопла горелки. Чтобы приблизить воспламенение к горелке, следует открыть часть поверхности низкоскоростной топливной струи для ее прямого радиационного нагрева футеровкой и обжигаемым материалом. С этой целью вылет топлива по окружности кольцевого канала предлагается осуществлять из отверстий 5 сопел 4 в виде отдельных струй, чередующихся с участками 6, закрытыми для выхода топлива (см. фиг.1). При этом соответственно возрастет толщина кольцевых струй, что будет способствовать устойчивости факела горящего топлива в целом.