Горелочное устройство для сжигания газообразного топлива с регулируемым масштабом турбулентности потока газовоздушной смеси, поступающей в камеру горения

 

Использование: в энергетике, а также в воздухонагревателях доменных печей и других нагревательных аппаратах. Сущность изобретения: устройство для сжигания газообразного топлива включает камеру сгорания, форкамеру, горелку в виде двух коаксиально расположенных трубопроводов - наружного с диаметров D₁ и внутреннего с диаметров D₂, - подводящих горючий газ и воздух отдельными потоками. Внутренний диаметр форкамеры делается равным гидравлическому диаметру наружного трубопровода горелки D₁, длина форкамеры l_ф = (1 - 9) D₁, во внутреннюю трубу горелки устанавливается противопульсационное устройство - обечайка с продольными каналами, образуемыми пластинчатыми перегородками, отстоящее от камеры горения на расстоянии (1 - 3)D₁. Гидравлический диаметр каналов d периферийной части устройства равен d = (0,1 - 0,5) D₁, а диаметр каналов центральной части равен 2d. В центральных каналах имеются дополнительные подвижные стенки, при помощи которых каждый центральный канал может быть разбит на две равные части при помощи исполнительного механизма, получающего командные сигналы от микроЭВМ системы контроля и управления технологическими параметрами, разлагающего в спектр амплитуды частот пульсаций давления газов и по значениям амплитуд диапазона частот 3 - 7 Герц выдающего команды на передвижение подвижных стенок каналов, поддерживая значения амплитуд на минимуме. 2 ил.

Изобретение относится к горелочным устройствам, используемым в энергетике, а также в воздухонагревателях доменных печей и других нагревательных аппаратах.

Известны металлические горелки доменных воздухонагревателей типа "труба в трубе", где газ и воздух подводятся к камере горения двумя коаксиально расположенными трубопроводами и один из компонентов сжигаемой газовоздушной смеси подводится по центральному трубопроводу, а другой по зазору между стенками внутреннего и наружного трубопроводов [1] К недостаткам таких горелочных устройств относятся: пульсации давления сжигаемых газовых сред, вызывающие значительные вибрации отдельных элементов газовых горелок и преждевременный выход из строя этих элементов и внутреннего слоя огнеупорной кладки камер горе- ния; повышенный расход топлива на нагрев технологического воздуха (газа, воды) из-за недостаточно эффективного перемешивания газа с воздухом в камере горения; низкая производительность горелочных устройств, повысить которую простой заменой горелки на более производительную не удается, так как при этом пульсации давления газов возрастают до недопустимых значений, и, как следствие, необходимость сооружать 4 и даже 5 регенеративных нагревательных аппаратов в блоке для обеспечения бесперебойного нагрева технологического воздуха, так как нагрев керамической регенеративной насадки нагревателей продуктами сгорания сжигаемых газов происходит в несколько раз медленнее, чем объем тепла с насадки нагреваемым технологическим воздухом.

Наиболее близкой к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому положительному эффекту является газовая горелка [2] где с целью повышения производительности горелки посредством подавления пульсаций давления воспламеняющихся газовых сред в горелку устанавливается вставка с продольными сквозными каналами, отстоящая от форкамеры на расстоянии, равном 1 5 ее гидравлических диаметров, а длина каналов и суммарная площадь их сечения составляет соответственно 5 10 их гидравлических диаметров и 0,85 0,98 от поперечного сечения вставки.

Разделение потоков подаваемых в камеру горения компонентов сжигаемой газовоздушной смеси на множество мелких струй значительно уменьшает масштаб турбулентности этих потоков и улучшает качество смешения газа и воздуха перед их воспламенением. Практика применения таких воздухонагревателей Череповецкого и Орско-Халиловского металлургических комбинатов подтвердила ожидающуюся эффективность этих устройств. В несколько раз сократились величины амплитуд пульсаций давления газов в камерах горения, снизились потери напора в форкамерах, составляющие ранее 50% от общих потерь по всему тракту "горелка-воздухонагреватель". Сократился расход электроэнергии на преодоление сопротивления дымовых трактов греющими газами. Возросла стойкость кладки камер горения воздухонагревателей, работающих после установки ПУ без ремонтов более 10 лет на Череповецком металлургическом комбинате. Появилась возможность повысить производительность газовых горелок и повысить температуру нагреваемого воздуха.

Вместе с тем упомянутое авторское свидетельство [2] не учитывает ряд особенностей, имеющих место в работе горелочных устройств. К ним относятся: излишняя удаленность противопульсационных устройств ПУ от камеры горения, сжимающая их эффективность; необходимость рассчитывать и конструировать ПУ для каждого воздухонагревателя в отдельности; оптимальная работа ПУ только при одном режиме работы горелок (расчетном) и заметное снижение эффективности ПУ при изменении расхода газовых сред, колебаниях калорийности горючего газа, изменении коэффициент избытка воздуха в сжигаемой газовоздушной смеси; отсутствие четких ориентиров для выбора диаметра продольных сквозных отверстий (каналов) ПУ,
допускаемая возможность одновременной установки ПУ как в воздушном, так и в газовом трактах горелки, что не улучшает работу горелки и даже ухудшает.

Настоящее изобретение имеет целью устранить отмеченные выше недостатки горелочных устройств и горелок, оборудованных упомянутыми ПУ.

Для этого предусматривается выполнение следующих мероприятий:
1. Горелочные устройства доменных и им подобных нагревателей выполняются в виде устройства типа "труба в трубе", т. е. в виде двух коаксиально установленных труб, по которым в камеру горения подводятся отдельными потоками горючий газ и окислитель (воздух) см. фиг. 1. Внутренний диаметр наружной трубы горелки 1 D₁ делается равным гидравлическому диаметру форкамеры 2, расположенной между горелкой и камерой горения 3. По технологической необходимости камера горения может герметично отделяться от горелки отделительной задвижкой 4. Камера горения и форкамера имеют огнеупорную футеровку 5.

Диаметр центральной трубы 6 горелки D₂ определяется из условий поддержания отношения средней скорости газовой среды, подаваемой по трубе 6, к скорости среды, движущейся по кольцевому зазору между трубами 1 и 6, в пределах 0,85-1,5.

Промышленная практика показала, что при сжигании газообразных топлив в камерах горения воздухонагревателей и других технологических агрегатов в них возникают пульсации давления газообразных сред с несколькими дискретными диапазонами частот, лежащих в пределах от 3 до 40 Герц. Из них наибольшую опасность, например, для доменных воздухонагревателей, представляют частоты диапазона 3 7 Герц, имеющие наибольшую амплитуду колебаний давления газов и вызывающие ограничение производительности горелок, вывод из строя горелочных устройств и внутреннего слоя огнеупорной кладки камер горения, неполноту сгорания и перерасход топлива на нагрев воздушного дутья. Пульсации давления газов с частотой выше 12 Герц, наоборот, улучшают полноту сгорания газов и не оказывают существенного влияния на вибрации и стойкость оборудования и элементов конструкции газовых трактов.

Эксперименты показали, что пульсации давления с частотами 3 7 Герц порождаются вихрями газового потока, подаваемого по центральной трубе 6 горелки и определяются масштабом турбулентности этого потока. Расчленение этого потока на 2, 3 и т.д. равные части пластинчатыми перегородками, устанавливаемыми внутри трубы 6, уменьшают амплитуды пульсаций давления газов. Для получения положительного эффекта длина этих перегородок l в направлении движения газа должна быть такой, чтобы в образуемых ими каналах успевали сформироваться устойчивые газовые струи, сохраняющие свои свойства и после выхода из каналов в форкамеру. Для этого длина каналов должна составлять 5 - 10 калибров, т.е. должна быть в 5 10 раз больше их гидравлического диаметра d. Объединенные в единую конструкцию, вставляемую в центральную трубу 6, такие пластинчатые вставки образуют противопульсационное устройство (ПУ) 7, показанное на фиг. 2. При дальнейшем уменьшении гидравлических диаметров каналов ПУ и соответствующем уменьшении их длины с сохранением 5 10 калибров амплитуда давления газов продолжает уменьшаться до достижения оптимальной величины диаметра d каналов, а потом начинает возрастать.

2. Если в противопульсационном устройстве ПУ диаметры всех каналов одинаковы, то работа каналов, расположенных в осевой части потока, малоэффективна, так как после выхода пакета струй из ПУ все струи постепенно размываются на расстоянии 5 10 калибров от места выхода из ПУ, и их эжектирующее воздействие на газовый поток, выходящий из периферийного кольца между трубами 1 и 6, исчезает практически одновременно у всех струй. При этом в некоторых случаях периферийный компонент газовоздушной смеси не успевает проникнуть в осевую часть потока газа, выходящего из центральной трубы 6. Сгорание этого газа, не успевшего смешаться с другим компонентом, происходит в камере горения с такими же пульсациями с частотой 3 7 Герц, как и при отсутствии ПУ в горелке, но с меньшими амплитудами пульсаций, поскольку доля несмешавшегося с другим компонентом газа в случае наличия в горелке ПУ значительно уменьшается.

Для увеличения полноты смешения в форкамере компонентов газовоздушной смеси, а следовательно, и дальнейшего уменьшения амплитуд пульсаций давления воспламеняющихся газов, диаметры ячеек ПУ, расположенных в его осевой части, необходимо делать большей величины, чем диаметры периферийных ячеек ПУ. Такие струи имеют соответственно более длинный путь существования после выхода из ячеек ПУ и продолжают эжектировать периферийные газы к центру потока и тогда, когда периферийные струи, вышедшие из ПУ, уже прекратили свое существование.

3. ПУ, рассчитанные на сжигание оптимальных количеств газообразного топлива в единицу времени, дают максимальный положительный эффект при расчетном режиме работы горелки. Если же по производственной необходимости меняется расход газа, сжигаемого в единицу времени, или по условиям работы предприятия самопроизвольно меняется калорийность сжигаемого газа, коэффициент избытка воздуха в газовоздушной смеси, то условия сжигания газа в камере горения ухудшаются, пульсации давления газов возрастают. Для предотвращения возрастания пульсаций, вызываемого изменением условий работы горелок, необходимо изменять масштаб турбулентности струй, формируемых ПУ. Для этой цели производится непрерывное измерение величин пульсаций давления датчикам 8, а результаты измерений обрабатываются микропроцессором 9, рассчитывающим значения величин амплитуд пульсаций разных частот, имеющих место в газовой среде, и по значениям амплитуд пульсаций с частотой 3 7 Герц вырабатывающим команды для принятия мер путем изменения масштаба турбулентности потока газовоздушной смеси в форкамере.

Для изменения масштаба турбулентности струй, формируемых ПУ, часть осевых каналов ПУ, имеющих гидравлические диаметры больших размеров, чем периферийные каналы, и занимающих 40 50% всей площади проходного сечения ПУ, имеют, кроме неподвижных стенок 10, подвижные стенки 11, которые при помощи штока 12 и привода 13 могут перемещаться из положения, разделяющего большие каналы ПУ на две равные части, отмеченные на фиг. 2 пунктирными линиями, до положения полного соприкосновения со стенками 10. По результатам команд, вырабатываемых микропроцессором 9, эти стенки перемещаются в то или иное положение приводом 13 при помощи штока (или винта) 12.

4. Оптимальное значение гидравлического диаметра d каналов ПУ определяется двумя факторами:
а) При очень малых диаметрах d каналов ПУ длина существования l_d сформированных РУ струй после выхода их из ПУ будет тоже очень мала, и они не окажут практически никакого воздействия на периферийный поток другого газового компонента. Поэтому необходимо, чтобы длина струй l_d после выхода их из ПУ была не меньше диаметра канала D₁, в который истекают струи газа из ПУ. Следовательно, должно иметь место d0,1D₁.

б) При очень большой длине форкамеры l_ф может оказаться, что после размывания струй, сформированных в ПУ, остается достаточно длинный участок форкамеры, превышающий 5 D₁, на котором снова могут сформироваться вихри газового потока с масштабом турбулентности D₁, и значительная часть работы, выполненной ПУ, будет уничтожена. Чтобы это не произошло, необходимо иметь значение d, обеспечивающее длины существования сформированных струй l_d не менее l_dL_ф 4 D₁. И если учесть, что l_d 10d, то d0,1/l_ф 4 D₁/. Отсюда видно, что с увеличением длины форкамеры диаметры каналов d в ПУ должны увеличиваться, а при достижении значения l_ф 14 D₁ значение d становится равным D₁, что говорит о том, что ПУ вообще отсутствует. Поэтому расстояние от места выхода газового потока из ПУ до входа в камеру горения, т.е. длина форкамеры l_ф, не должно превышать 9 D₁ l_ф9 D₁. Практика показала, что гидравлический диаметр каналов ПУ не должен превышать половины диаметра форкамеры: d0,5 D₁. При этом площадь сечения одного канала ПУ не превышает 25% площади проходного сечения форкамеры.

Эксперименты показали, что установка ПУ в горелки типа "труба в трубе" приводит к сокращению расхода топлива на нагрев технологического воздуха (дутья) не менее чем на 2% и дает возможность повысить производительность существующих горелок настолько, что в блоке воздухонагревателей, состоящем из 4 аппаратов, можно один из аппаратов выводить из работы, а остальными тремя аппаратами обеспечить нормальный нагрев дутья. При увеличении мощности вентиляторов, подающих воздух горения в горелку, можно обеспечить полноценный нагрев дутья двумя аппаратами в блоке, т.е. можно производить нагрев насадки регенераторов быстрее, чем происходит ее охлаждение при нагреве дутья.

На фиг. 1 показано горелочное устройство с газовой горелкой типа "труба в трубе" с противопульсационным устройством 7, установленным в центральной трубе 6, по которой подводится воздух. По зазору между двумя коаксиально установленными трубами 1 и 6 подводится газ. Поступающие в форкамеру 2 газ и воздух перемешиваются и, попадая в камеру горения 3, воспламеняются от горячей огнеупорной кладки 5.

На фиг. 2 показано противопульсационное устройство ПУ. Периферийные каналы ПУ имеют гидравлический диаметр d. Центральные каналы при отведенных к стенке подвижных перегородках 11 имеют гидравлический диаметр 2d, а при положении подвижных стенок 11 в центре канала (показано пунктиром) образуются каналы с гидравлическим диаметром 1,33d. Оптимальное положение подвижных перегородок определяется и устанавливается системой контроля и управления технологическими параметрами на основе микроЭВМ, обрабатывающей показания датчика пульсаций давления 8 и вырабатывающей командные сигналы на изменение положения подвижных перегородок 11 при помощи микропроцессора 9 и исполнительного механизма 13.

При необходимости поставить воздухонагревательный аппарат с камерой горения 3 на режим нагрева его продуктами сгорания горючего газа открывается задвижка 4, включается подача воздуха по центральному трубопроводу 6 и подача газа по периферийному каналу между трубами 1 и 6. Воздух и газ перемешиваются в форкамере 2 и, поступая в камеру горения 3, воспламеняются от разогретой кирпичной кладки 5. Продукты сгорания, проходя через нагревательный аппарат, отдают ему свое тепло и уходят в дымовую трубу (на фиг. не показано). Возникающие при горении газа пульсации давлений измеряются датчиком пульсаций 8, а результаты этих измерений обрабатываются микропроцессором 9, который по рассчитанным значениям амплитуд пульсаций давления с частотой 3 7 Герц вырабатывает и выдает командные сигналы на приводной механизм 13 для изменения положения подвижных перегородок 11 противопульсационного устройства 7, поддерживая таким образом значения пульсаций давления газов с частотой 3 7 Герц на минимуме, соответствующем установленному режиму работы горелки. При окончании нагрева аппарата подача газа и воздуха в горелку прекращается, и задвижка 4 закрывается, отделяя герметично нагревательный аппарат от горелки. В начальный период работы горелки при малых расходах газа подвижные перегородки 11 центральных ячеек ПУ держатся прижатыми к неподвижным стенкам 10 ячеек, устанавливая таким образом гидравлический диаметр этих ячеек равным 2d. При максимальных расходах газа, подаваемого в горелку, перегородки 11 занимают положение, при котором проходное сечение центральных ячеек ПУ делится на две равные части, и гидравлический диаметр ячеек составляет 1,33d. В промежуточных режимах расхода газа на горелку перегородки 11 устанавливаются в промежуточных положениях между двумя крайними положениями в соответствии с программой регулирования, заложенной в микропроцессор 9. При необходимости микропроцессор может быть отключен и положение перегородок 11 может устанавливаться вручную при помощи специальной рукоятки, имеющейся на приводном механизме 13.

Промышленными экспериментами доказано, что при снижении пульсаций давления газов с частотой 3 7 Герц в доменных воздухонагревателях уменьшается расход газа на нагрев дутья и соответственно уменьшается количество выбросов в атмосферу продуктов сгорания, содержащих токсичные компоненты недожога топлива (окись углерода).

При установке противопульсационных устройств в горелки центр факела горения газов в камере горения воздухонагревателя смещается ближе к горелке и становится менее ярко выраженным ("размазанным"). Это позволяет при той же температуре кладки в подкупольном пространстве воздухонагревателя нагревать дутье, подаваемое в доменную печь, до более высоких температур (на 20 - 40^oC выше).

Формула изобретения

Устройство для сжигания газообразного топлива, включающее камеру сгорания, форкамеру, горелку в виде двух коаксиально расположенных трубопроводов наружного диаметром D₁ и внутреннего диаметром D₂ подводящих горючий газ и воздух (окислитель) отдельными потоками, отличающееся тем, что внутренний диаметр форкамеры, расположенной между камерой горения и собственно горелкой, равен гидравлическому диаметру наружного трубопровода горелки D₁, а длина форкамеры l_ф составляет l_ф (1 9)D₁, по внутреннему трубопроводу горелки подается тот компонент газовоздушной смеси, расход которого составляет не менее 0,85 расхода второго компонента смеси, во внутренний трубопровод горелки установлено противопульсационное устройство обечайка с продольными сквозными каналами, образуемыми пластинчатыми перегородками, отстоящее от камеры горения на расстоянии (1 9)D₁, занимающее все проходное сечение внутреннего трубопровода горелки и имеющее суммарную площадь проходного сечения 0,90 0,96 поперечного сечения внутреннего трубопровода горелки, и гидравлический диаметр d каналов периферийной части противопульсационного устройства, занимающей 50 60% общего проходного сечения, равен d (0,1 0,5)D₁, а гидравлический диаметр каналов центральной части противопульсационного устройства, занимающей 40 50% общего проходного сечения, равен 2d, в этих каналах имеются дополнительные подвижные пластинчатые стенки, посредством которых каждый из этих каналов может быть разбит на два канала с гидравлическим диаметром 1,33d при помощи исполнительного механизма, получающего командные сигналы от микроЭВМ системы контроля и управления технологическими параметрами, разлагающего в спектр амплитуды частот пульсаций давления газа в горелке, измеряемых датчиками пульсаций, на отдельные характерные интервалы и по усредненным за контрольные промежутки времени значениям амплитуд, соответствующих частотам в диапазоне 3 7 Гц, вырабатывающего командные сигналы на перемещение подвижных стенок каналов противопульсационного устройства с целью поддержания величины амплитуд указанного диапазона частот на минимальном уровне.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2