Устройство для регулирования длины факела горелок вращающихся печей
DEVICE FOR REGULATING THE LENGTH OF FLAME OF BURNERS OF ROTARY KILNS

Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано для регулирования длины факела горелок преимущественно вращающихся печей.
Одним из важных параметров современных горелок особенно для вращающихся печей является возможность изменения длины факела. Это необходимо для изменения режима обжига, например, для изменения длины зоны спекания обжигаемого материала, а также для подавления процесса образования на огнеупорной футеровке печи налипания материала в результате его размягчения и частичного подплавления. Для борьбы с этим явлением, существенно сокращающим срок службы футеровки, необходимо иметь возможность перемещать высокотемпературную зону факела вдоль печи, т.е. изменить длину факела во время работы горелки.
Изменять длину факела при постоянной тепловой нагрузке возможно только путем воздействия на характер смешения горючего газа с окислителем (воздухом или кислородом), т.е. на интенсивность этого процесса. Известны способы изменения интенсивности смешения газа с окислителем, например, с помощью удлинения пути совместного течения газа и окислителя, закручивание потоков и газа и окислителя, направление потоков газа и окислителя под углом друг другу, турбулизация газовых потоков путем разбиения потоков на множественные струи /1/ (Т33 Теория и практика теплогенерации: учебник. Изд. 2-е перераб. И доп./ С.Н. Гущин, М.Д. Казяев, Ю.В. Крюченков и др.: под Ред. Лобанова и С.Н Гущина. Екатеринбург: УГТУ - УПИ, 2005. 379 с.) [1].
Путем изменения угла наклона лопаток завихрителя, установленного вблизи выходного сопла горелки, изменяют степень крутки потока газа или первичного окислителя. Известна горелка, разработанная фирмой "UNITERM-CEMCON Gmbh" (Австрия), реализующая изменение интенсивности смешения газа с воздухом, заключающееся в том, что изменяют угол наклона гибких бронированных шлангов, подводящих газ к выходным газовым соплам многосопловой горелки, и тем самым изменяют интенсивность крутки газовых струй, а, следовательно, и интенсивность смешения (UNITERM-CEMCON Gmbh. Горелка для вращающейся печи. Тип MAS. /3/ EG. Техническая документация) [2]. Однако использование завихрительных лопаток, расположенных в высокотемпературной зоне, является существенным недостатком управления размерами факела, создаваемого многосопловой горелкой. Воздействие высоких температур делает работу этих устройств ненадежной.
Иной способ интенсификации смешения окислителя с газом, и тем самым изменения длины факела в результате перераспределения расхода газа между центральным и периферийными газовыми соплами многосопловой горелки предложен в справочнике (Винтовкин А.А., Ладыгичев М.Г., Гусовский ВЛ., Усачев А.Б. Современные горелочные устройства (конструкции и технические характеристики). Справочник. М.: Машиностроение-1, 2001, стр. 105-107) [3]. Здесь описана горелка, содержащая периферийные газовые сопла, установленные на наконечниках, снабженных лопатками, закручивающими потоки вентиляторного воздуха, коаксиально обтекающие каждый наконечник.
Известна газовая горелка, содержащая воздухоподающую и газовую трубы, клапанное устройство и сопло, при этом воздухоподающая и газовая трубы жестко соединены выходами с образованием единого канала и установлены под углом друг к другу =30-45°, а внутри клапанного устройства по центральной оси установлен шток с резьбой по всей поверхности с жестко закрепленным в нижней части золотником в виде сдвоенных основаниями конусов, соединенных через диск диаметром, равным диаметру конуса, и рукояткой в верхней части, причем между воздухоподающей и газовой трубами жестко закреплен фиксатор со сквозным резьбовым отверстием (RU 2373459, опубл. 20.11.2009) [4].
В этой горелке длину факела изменяют путем перемещения в осевом направлении конического подвижного элемента, расположенного внутри диффузорного сопла, что изменяет выходное сечение горелки и тем самым скорость, а значит турбулентность потока газа или принудительно подаваемого окислителя на выходе из сопла горелки. При таком регулировании скорости, неизбежно должны меняться либо расход среды, либо ее давление, что потребует применения дополнительного оборудования.
Наиболее близкой к предлагаемому устройству является газовая горелка для вращающихся печей, содержащая четыре коаксиальные трубы для подвода горючего газа и первичного окислителя, а также центральное сопло и ряд периферийных сопел для выхода горючего газа с отдельными подводами этого газа к центральному соплу и к ряду периферийных сопел. Периферийные сопла для подачи горючего газа выполнены в виде сопла Лаваля, зафиксированы в таком положении, что ось каждого из них составляет с продольной осью горелки постоянный угол, отсчитываемый в направлении окружности, на которой расположены центры периферийных сопел, и находящийся в интервале от 5 до 30° (RU 2237218, опубл. 27.09.2004) [5].
Данная горелка реализует управление размерами факела во вращающейся печи при постоянном расходе горючего газа путем изменения интенсивности смешения газа с окислителем в результате перераспределения расхода горючего газа между периферийными соплами газовой горелки и ее центральным соплом. Часть расхода горючего газа, подаваемую через ряд периферийных сопел, закручивают, а другую часть подают в виде прямоструйного потока через центральное сопло. Таким образом, закручивается не поток воздуха, обтекающий каждое периферийное сопло, а поток горючего газа, истекающего из этого сопла, что повышает эффективность крутки в связи с высокой скоростью горючего газа. В качестве первичного окислителя предлагается использовать сжатый воздух, подаваемый под высоким давлением (компрессорный, а не вентиляторный воздух, который подается под низким давлением),или кислород.
Кроме того, в источнике [5] описано применение горелки, имеющей два кольцевых сопла - внутреннее и наружное - для подачи первичного окислителя, благодаря чему в качестве дополнительного средства управления интенсивностью смешения и, следовательно, размерами факела используют перераспределение расхода первичного окислителя между наружным и внутренним кольцевыми соплами, осуществляя увеличение доли первичного окислителя, подаваемого через наружное кольцевое сопло, для увеличения интенсивности смешения (и уменьшения длины факела), и наоборот, осуществляя уменьшение доли первичного окислителя, подаваемого через наружное кольцевое сопло, для уменьшения интенсивности смешения (и увеличения длины факела). При этом расход первичного окислителя через наружное кольцевое сопло, обеспечивающий охлаждение горелки, должен составлять не менее 20% от общего расхода первичного окислителя на горелку.
Таким образом, известные способы интенсификации смешения газа и окислителя используют окислитель, подаваемый принудительно непосредственно в горелку, однако в большинстве вращающихся печей в качестве окислителя используют воздух, подогреваемый вне рабочего пространства печей, а во вращающихся холодильниках, охлаждающих готовый продукт и подогревающий при этом воздух, который, как правило, подают в печь, используя разрежение, создаваемое дымовой трубой или дымососом. Использование подогретого теплотой готового продукта воздуха в качестве окислителя позволяет существенно сократить расход топлива.
Задача изобретения заключается в создании конструкции горелки с регулируемой длиной факела в условиях подачи окислителя (воздуха) вне горелки.
Для этого предложено устройство для плавного регулирования длины факела горелки, которое, как и прототип, содержит корпус, коаксиально установленную в нем трубу, которые вместе образуют центральный и периферийный каналы подачи газообразного топлива, заканчивающиеся, соответственно, центральным соплом и рядами периферийных сопел с отдельными подводами этого газа для выхода его к центральному соплу или к рядам периферийных сопел. Новое устройство отличается тем, что в центральном канале по оси коаксиальных труб смонтирован распределитель газообразного топлива, подаваемого в горелку, содержащий цилиндрическую камеру с отверстиями для подачи в нее газообразного топлива, которая с обеих сторон заканчивается диффузорами, обращенными вершинами внутрь этой камеры, при этом распределитель также содержит пару конусов, обращенных вершинами внутрь цилиндрической камеры, жестко связанных между собой штоком, перемещающимся по оси этой камеры, пара жестко связанных конусов, выполнена с возможностью полного перекрытия потока газообразного топлива, входящего в камеру при полном открытии потока, выходящего из камеры, осуществляемого путем входа одного из конусов в диффузор с одной стороны камеры, при выходе другого из диффузора с другой стороны камеры.
При перемещении штока с парой конусов по оси цилиндрической камеры, один из конусов входит в диффузор с одной стороны этой камеры, другой выходит из диффузора с другой стороны камеры. Это обеспечивает полное перекрытие потока газообразного топлива, входящего в камеру при полном открытии потока, выходящего из камеры. При перемещении конусов, газообразное топливо перераспределяется между диффузорами пропорционально степени открытия и закрытия диффузоров конусами, что обеспечивает плавное изменение длины факела от минимального до максимального.
Использование в предлагаемом устройстве распределителя подаваемого в горелку газообразного топлива, позволяет управлять интенсивностью смешивания, а значит длиной факела, при постоянном расходе топлива и подачи окислителя вне горелки. С помощью этого распределителя можно подавать газообразное топливо через ряд периферийных сопел, расположенных радиально относительно корпуса горелки. В этом случае факел будет коротким. Можно подавать газообразное топливо через центральное сопло в виде прямоструйного потока, идущего вдоль оси горелки. В этом случае перемешивание топлива с окислителем будет плохим и факел будет длинным. Предусмотрена возможность одновременной подачи одной части газа через радиальные отверстия, а второй - через центральное сопло, что позволит иметь факел промежуточной длины в пределах минимальной и максимальной величины. При этом расход топлива не изменяется. В качестве окислителя можно использовать окружающий горелку воздух, подсасываемый во вращающуюся печь дымососом.
Новый технический результат, достигаемый заявленным устройством, заключается в возможности плавного регулирования длины факела горелки для отопления вращающейся печи в пределах от 12 до 16 м без изменения расхода топлива. Кроме того, регулирующее устройство защищено от воздействия высоких температур, тем, что расположено внутри горелки в той части, которая находится снаружи печи.
Изобретение иллюстрируется рисунком заявленного устройства для регулирования длины факела горелок вращающихся печей. Устройство содержит корпус 1, размещенную в нем коаксиальную трубу 2, которые образуют центральный 3 и периферийный 4 каналы подачи газообразного топлива, заканчивающиеся соответственно центральным соплом 5 и рядами периферийных сопел для выхода газа 6, с отдельными подводами этого газа к центральному соплу или к рядам периферийных сопел. В центральном канале 3 смонтирован распределитель подаваемого в горелку газообразного топлива 7. Распределитель 7 состоит из цилиндрической камеры 8 с отверстиями для подачи газообразного топлива 9. Камера 8 с обеих сторон заканчивается диффузорами 10, обращенными вершинами внутрь цилиндрической камеры 8. Распределитель содержит также пару конусов 11, обращенных вершинами также внутрь камеры 8, жестко связанными между собой штоком 12, перемещающимся по оси этой камеры. Пара жестко связанных 11 конусов выполнена с возможностью входа одного из конусов в диффузор с одной стороны камеры 8, а другой - с возможностью выхода из диффузора с другой стороны камеры 8, что обеспечивается расстоянием между вершинами конусов 11.
Газообразное топливо подается в цилиндрическую камеру 8 через отверстия 9 и через них газ может выходить в рабочее пространство вращающейся печи, образуя струю, плохо перемешивающуюся с окружающим воздухом, вследствие чего факел будет длинным. При перемещении штока 12 с парой жестко связанных конусов 11 по оси цилиндрической камеры 8, один из конусов входит в диффузор с одной стороны этой камеры, другой выходит из диффузора с другой стороны камеры. Это обеспечивает полное перекрытие потока газообразного топлива, входящего в камеру при полном открытии потока, выходящего из камеры, при этом газ выходит в пространство между камерой 8 и далее в центральный 3 и периферийный 4 каналы подачи газообразного топлива, заканчивающиеся соответственно центральным соплом 5 и рядами периферийных сопел для выхода газа 6, через которые горючий газ может выходить множественными струями в рабочее пространство печи. Это позволяет хорошо смешивать топливо с окислителем, подаваемым вне горелки и быстро его сжечь, получив короткий факел.
Математическоемоделирование конфигурации факела в зависимости от доли газообразного топлива, поступающего через периферийные сопла, показало, что для горелки с диаметром центрального сопла d1=150 мм, установленной на вращающейся печи диаметром 4 м, работающей на природном газе и использующей в качестве окислителя воздух, подсасываемый в рабочее пространство печи, со стороны выдачи готово материала, дымососом, длина факела при перераспределении потоков газа изменяется от 10 до 16 м.