Газовые горелки

ГОРЕЛОЧНЫЕ УСТРОЙСТВА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ АГРЕГАТОВ

В ряде технологических агрегатов: вагранках, печах цветной металлургии, трубчатых печах нефтяной промышленности, цемент­ном производстве, мартеновских печах и других, применяются различные по конструкции газогорелочные устройства.

Для сжигания газа в вагранках Мосгазпроектом разработана серия горелок среднего давления с принудительной подачей воз­духа. Они рассчитаны на вагранки производительностью от 1,5 до 15 т/ч. В горелке достигается полное предварительное смешение путем разбивки газового потока на ряд струй и направления его

Под углом к потоку воздуха. Общий вид горелки показан нарис. 67 Горелка выполнена угловой, что облегчает ее монтаж и эксплуа­тацию. Для наблюдения за процессом горения предусмотрена гля делка, изготовляемая из жаропрочного стекла. Насадок горелки крепится к корпусу на болтах и примыкает к керамическому тун­нелю. Технические характеристики горелок и их основные размеры приведены в табл. 58.

Одним из перспективных направлений в использовании природ ного газа с целью экономии кокса при шахтной плавке цветных металлов является предварительное сжигание природного газа в форкамерах (туннельных горелках) с выдачей горячих продуктов горения в шахту печи.

Применение форкамер на уже действующих промышленных агрегатах (шахтные печи, фыоминг-установки) требует выбора топочного устройства небольших размеров (для удобства компо новки) и с достаточно высокой производительностью, т. е. топоч ного устройства с высоким удельным теплонапряжением. При не­прерывной работе металлургических печей и высокой форсировке процесса сжигания газа в форкамерах необходимо обеспечить вы-

Сокую тепловую стойкость футеровки туннеля. Кроме этого, го­релки должны удовлетворять следующим требованиям:

1) обеспечению достаточно полного сжигания газовоздушной смеси в пределах горелочного устройства;

2) обеспечению высоких температур и скоростей продуктов сго­рания на выходе из туннеля;

3) изменению коэффициента избытка воздуха в широком диа­пазоне;

4) устойчивости и безопасности работы при розжиге и оста­новке горелки.

В ЛИЭИ им. П. Тольятти под руководством автора создана серия горелочных устройств производительностью от 50 до 500 м3/ч. Газ входит в форкамерную горелку (рис. 68) через сопло с шестью отверстиями 0 6 мм. Для лучшего перемешивания по­токов струи газа направлены под углом 60° к потоку воздуха. Го­релка оканчивается водоохлаждаемым насадком с двумя выход­ными отверстиями 0 40 мм каждое. Номинальная тепловая на­грузка горелки 500000 ккал/ч.

Между фланцами корпуса горелки и насадка установлены два ряда медной сетки с диаметром ячеек 0,5 мм, что служит допол­нительной гарантией от проскока пламени. Сжигание подготовлен­ной газовоздушной смеси осуществляется в туннеле.

Водоохлаждаемый туннель, выложенный внутри кирпичом ПЩ имеет размеры 260x80x230 мм, толщина стенки 65 мм. Тепло - напряжение туннеля с учетом химической неполноты горения (67-ь 100) • 106 ккал/(м3-ч) в зависимости от режима работы го­релки.

Опыты по снятию характеристик горелочного устройства прово­дились при установившемся тепловом режиме установки, о чем

А-А

Судили по показаниям термопар, заделанных в туннель и заднюю стену камеры.

Основные характеристики работы горелочного устройства, полу­ченные в результате опытов, приведены на рис. 69 и 70.

На рис. 69 показана зависимость химического недожога на выходе из туннеля при изменении коэффициента избытка воздуха от 0,8 до 1,7 (при неизменной тепловой нагрузке горелки).

Как видно из графика, наименьшее значение величины химиче­ского недожога наблюдается при коэффициенте избытка воздуха 1,0—1,15 и составляет 7—8%- Уменьшение химического недожога

SHAPE \* MERGEFORMAT

Рис. 69. Зависимость химической непол­ноты горения и температуры продуктов сгорания от коэффициента избытка воз­духа на выходе из туннеля.

/ — химическая неполнота горения газа на выходе из туннеля; 2 — температура ■ продуктов сгорания на выходе из туннеля.

Рис. 70. Зависимость средних скоростей газовоздушной смеси и продуктов сгора­ния от коэффициента избытка воздуха.

1— скорость продуктов сгорания на вы­ходе из туннеля; 2 — скорость выхода га­зовоздушной смеси из кратера горелки.

На рис. 70 представлена зависимость средних скоростей про­дуктов сгорания на выходе из туннеля от коэффициента избытка воздуха.

Из опыта работы туннельных горелок на вагранках при уста­новке их над воздушными фурмами известно, что выходная ско­рость продуктов сгорания должна быть не ниже 30—40 м/сек. Из

Рис. 70 пидно, что в широ­ком диапазоне изменения коэффициента избытка воз­духа (от 0,8 до 2,0) выход­ная скорость продуктов сго­рания лежит выше указан­ного предела. Производительность го­релки может изменяться от 25 до 125% номинальной нагрузки, причем на всех ре­жимах горелка работает устойчиво и надежно. Особо следует подчеркнуть (это очень важно для подобных конструкций) высокую стой­кость футеровки туннеля при больших тепловых на­грузках. Проведенные исследова­ния показали, что потери тепла с охлаждающей во­дой не превышают 3—5%. Конструкция газогорелоч - ного устройства номиналь­ной производительностью 250 м3/ч отличается от опи­санной выше тем, что устье выполнено в виде шести (а не двух) конических водо­охлаждаемых насадков. Эта горелка прошла успешное испытание на одном из ком­бинатов цветной металлур­гии. Горелка обеспечивала нагрев 18 ООО м3/ч техноло­гического воздуха до 400°С и устойчиво работала при изменении производительно­сти от 30 до 300 м3/ч, т. е. диапазон регулирования был 1 : 10. Несмотря на значи­тельное противодавление (до 1500 мм вод. ст.), горелоч - ное устройство длительно эксплуатировалось без ка­ких-либо нарушений в ра­боте.

Аналогичная по конструкции горелка, но предназначенная дЛя работы с подогревом воздуха и обогащением дутья кислородом прошла успешные испытания на плавильных агрегатах. При подо­греве воздуха до 360° С и обогащении дутья кислородом до 30 % получена температура продуктов сгорания на выходе из туннеля около 2400°С и скорости примерно 170 м/сек (а=1,0). Изменение коэффициента избытка воздуха от 0,85 до 1,35 позволяет регули­ровать температуру и восстановительный (или окислительный) по­тенциал факела, что является весьма существенным в разных тех­нологических схемах.

Для безокислительного нагрева и химико-термической обра­ботки металла, а также других нагревательных операций в кон­тролируемых средах в диапазоне рабочих температур от 500 до 1000° С в ИГ АН УССР созданы радиационные газовые трубы. Разработаны газовые трубчатые нагреватели следующих конструк­ций: прямые, горизонтального (рис. 71, а) и вертикального распо­ложения, тупиковые (рис. 71,6), У-образные (рис. 71,в), Р-образ - ные (рис. 71,г), Ш-образные (рис. 71,д), кольцевые с рециркуля­цией продуктов горения (рис. 71, е). Газовый радиационный нагрев экономичнее электрического (себестоимость нагрева в 2—3 раза ниже). Основные технические данные газовых трубчатых нагрева­телей приведены в табл. 59.

Таблица 59

Инжекционные беспламенные панельные горелки типа ГБП, разработанные в Гипронефтемаше, предназначены для сжигания газа в промышленных печах нефтяной, химической и других 1 отраслей промышленности.

Особенностью горелки является то, что она способна создавать | направленный тепловой поток со значительной площади излуче - I ния. У этих горелок предварительно подготовленная газовоздуш - • ная смесь горит в мелких туннелях, объединенных в керамическую панель. На все панели одной горелки установлен общий инжек - 1 ционный смеситель.

Горелка (рис. 72) состоит из распределительной камеры, сва­ренной из листовой стали толщиной 4 мм; трубок, соединяющих распределительную камеру с керамическими туннелями; изоляци­онной прослойки из диатомитовой крошки; керамических призм, свободно надевающихся на трубки; смесителя, служащего для подготовки газовоздушной смеси.

Гипронефтемаш создал два типа горелок: с габаритными раз­мерами излучающей поверхности 500x500 и 605X605 мм. Ши­рина горелки обоих типов одинакова — 230 мм. Разработаны кон - 'струкцни девяти горелок с тепловой нагрузкой от 35 000 до 530 000 ккал/ч.

Горелки отличаются друг от друга величиной шага между тун­нелями, числом туннелей, диаметром трубок и коридорным или Шахматным расположением трубок. Керамические туннели изго­товляются из шамота класса А для рабочих температур 1200— 11500° С и из шамота класса Б для температур 600—1200° С.

Диаметр газового сопла горелки определяется расчетом по ме­тодике, приводимой в нормали на горелки МН2932-61 и МН2933-61.

В зависимости от низшей теплоты сгорания давление газа пе­ред соплом поддерживается в пределах, кгс/см2: при фн от 1000 до 4000 ккал/м3 —0,01—0,03, от 4000 до 6000 — 0,03—0,1, от 6000 до 8000 — 0,1—0,5, от 8000 до 25000 — 0,5—2,5. Технические характеристики горелок приведены в табл. 60.

Таблица 60

ГипроНИИГазом (г. Саратов) создана серия горелок ГВП, предназначенных для сжигания природного газа во вращающихся печах обжига цементного клинкера и других тепловых агрегатах. Корпус горелки (рис. 73) имеет центральное отверстие, выполнен­ное в виде сопла. Другой конец корпуса соединен с трубой. Внутри ' вмонтирована направляющая труба, которая центруется специ­альными приливами.

В направляющую трубу вставлен завихритель, который имеет со стороны сопла тангенциально расположенные лопатки а. Про­тивоположный конец завихрителя соединен с тягой, которая в свою очередь соединена через шарнир с рычагом. Рычаг закреплен на валу, имеющем сальниковое уплотнение. На противоположном конце вала жестко посажена рукоятка управления.

Положение рукоятки управления фиксируется на секторе, где имеется надпись Завихрение, на одном краю — отметка Макси­мум, на другом — отметка 0.

При положении рукоятки управления на отметке Максимум завихритель находится в крайнем левом положении, как изобра­жено на рис. 73, а. При положении рукоятки управления на от-

Метке 0 завихритель находится в крайнем правом положении, как изображено на рис. 73,6.

Внутри завихрителя расположен дроссель, который может пе­ремещаться вдоль оси горелки. Конец дросселя, обращенный к соплу, имеет коническую форму. Противоположный конец дрос­селя соединен с тягой, и управление им осуществляется анало гично завихрителю через шарнир, рычаг, валик и рукоятку.

На секторе управления дросселем имеется надпись Дроссели­рование, а по краям — Максимум и 0. При положении рукоятки дросселя на отметке Максимум дроссель находится в крайнем ле­вом положении и проходное сечение сопла корпуса будет мини­мальным. При положении рукоятки управления дросселем на от­метке 0 дроссель будет находиться в крайнем правом положении и проходное сечение сопла будет максимальным (рис. 73,6).

Газ из газопровода поступает в трубу и, обтекая внешнюю поверхность направляющей трубы, проходит к соплу корпуса го­релки. При крайнем левом положении завихрителя, соответствую­щем положению рукоятки управления на отметке Максимум, весь газ, выходя из лопаток в сопло, будет иметь кроме поступатель­ного движения еще и вращательное. В этом случае при выходе из сопла газовая струя будет вытекать с большим углом раскрытия. Факел будет наиболее коротким, а зона наивысшей температуры максимально приближена к выходному сечению горелки.

При крайнем правом положении завихрителя газ, минуя его лопатки, будет выходить из сопла горелки без вращательного дви­жения, что удалит факел от выходного сечения горелки, и зона наивысшей температуры переместится в глубь печи.

Между положениями завихрителя Максимум и 0 возможно лю­бое промежуточное положение. Тогда только часть газа будет про­ходить через завихритель и получать вращательное движение. Это дает возможность плавно перемещать факел и зону наивысшей температуры вдоль печи.

Для еще большего перемещения зоны наивысшей температуры и изменения светимости факела можно изменять давление газа в горелке. При этом ее производительность сохраняется уменьше­нием или увеличением проходного сечения сопла посредством пе­ремещения дросселя. Возможность изменения проходного сечения сопла позволяет горелке работать в широком диапазоне давлений при постоянном расходе и (наоборот) изменять в широком Д»3' пазоне расход газа при постоянном его давлении.

Испытания горелки ГВП 1 на промышленных печах цементных заводов выявили ее хорошие эксплуатационные показатели. Го­релка обеспечивает полное сжигание газа при избытках возДУха 1,02—1,05. Производительность печей повысилась на 4—4,5% п° сравнению с работой горелок обычных конструкций, улучшилось качество клинкера. Удельный расход топлива на тонну клинкер3

Снизился в среднем до 8 м3/т. В табл. 61 приведены основные ха­рактеристики горелок ГВП различной производительности.

Установка горелки на печь должна обеспечивать возможность быстрого извлечения горелки из печи в случаях вынужденного от­ключения газа. Это достигается соединением горелки с газопрово-

Дом гибким шлангом. Горелки ГВП с производительностью до 5000 м3/ч могут быть установлены на напольном или подвесном ме­ханизмах управления положением горелки в печи с механическим или ручным приводом. Горелки с производительностью газа выше 5000 м3/ч должны быть установлены на подвесном подъемно-пере­движном механизме управления положением горелки в печи с элек­трифицированным приводом.

I В СредазНИИГазе разработана вихревая реверсивная горелка ВРГ (рис. 74) для вращающихся трубчатых печей, которая отли­чается от описанной выше возможностью изменять вращение фа - I кела. Горелка состоит из трех частей: насадка-сопла, корпуса и узла управления. Газ входит через патрубок и выходит из сопла. В отличие от существующих горелок в ней установлен аксиально­лопаточный завихритель 1, все лопатки которого могут одновре­менно поворачиваться на своих шарнирных ножках 2 в желаемую сторону. Поворот лопаток осуществляется поворотом кольца 3, на ■ которое насажены вторые ножки 4 лопаток. Кольцо 3 своим шпо­ночным выступом связано с дросселем 5 так, что при повороте по-

след него ручкой Завихритель кольцо 3 также поворачивается.

Дросселирование производится перемещением тяги 6 вдоль оси Горелки при помощи ручки Дроссель. При этом шлицевой выступ

Кольца 3 может свободно перемещаться по канавке 7 на дросселе 5, не влияя на поворот лопаток. Следовательно, завихрение и дроссе­лирование газа производятся одной тягой 6, соответственно ее по­воротом или перемещением. Для перемещения дросселя установ­лена направляющая втулка 8.

Разработано 6 типоразмеров горелки (табл. 62), причем каж дый имеет несколько модификаций, отличающихся теплопро - изводителыюстью. Все типоразмеры серийно изготовляются Джам - бульским ремонтно-механическим заводом Министерства промыт ленности строительных материалов Казахской ССР.

Для создания мощного источника равномерного нагрева значи­тельных по площади тепловоспринимающих поверхностей в ИГ АН УССР созданы газовые плоскопламенные горелки ГПП (рис. 75) Основные технические характеристики всех типоразмеров приве дены в табл. 63. Горелки данного типа с успехом могут быть при­менены на печах и теплообменных аппаратах металлургической, машиностроительной, химической и других отраслей промышлен­ности. Развитие и выгорание факела происходят в плоскости, нор­мальной оси горелки. Продукты сгорания, выходя из туннеля, веерообразно растекаются тонким слоем по поверхности кладки, образуя зону высоких температур. Конструкция горелки обеспечи­вает выравнивание поля температур и тепловых потоков уже на расстоянии 200—250 мм от излучающей поверхности кладки. Но­минальное давление воздуха для горелок при 20°С составляет 300 мм вод. ст.

Природный газ для отопления мартеновских печей широко при­меняется в последнее время на отечественных заводах. Имеются

Различные способы его использования для отопления печей. Выбор того или иного способа определяется технико-экономическими со­ображениями, а также конструкцией мартеновских печей. Природ­ный газ может использоваться в печах, отапливаемых ранее смесью коксового и доменного газов, мазутом, а также во вновь строящихся.

При отоплении печей высококалорийным топливом необходимо стремиться к повышению светимости и жесткости факела, а также желательно иметь возможность управлять факелом по ходу плавки, т. е. изменять его длину и окислительную способность. Большие работы в этом направлении проведены в Уральском политехниче­ском институте. В частности, по авторскому предложению В. Г. Ли - сиенко, Н. И. Кокарева, Б. И. Китаева создана газомазутная го­релка, имеющая форсунку с выхлопной трубой. Эта конструкция мазутной части позволяет регулировать удельный расход распыли­теля и тем самым влиять на величину факела и его окислительную способность.

Газомазутная горелка (рис. 76) сконструирована на базе мазут­ных форсунок УПИ с центральной подачей топлива и выхлопными трубами. Горелка выполнена водоохлаждаемой. Полость между внутренней трубой водоохлаждаемой фурмы и корпусом форсунки

СЗ к

ГО

Используется для подачи природного газа. Лобовая часть горелки имеет два отверстия для выхода: сопло для компрессорного воз­духа и газовое. Мазутная форсунка горелки имеет подвижное сопло с ходом около 250 мм. Сопло перемещается внутри выхлопной трубы, начало которой выполнено в виде конуса. Перемещение его

Внутри конусного участка трубы дает возможность регулировать расход распылителя в широких пределах. Кроме того, сопло можно вводить и внутрь выхлопной трубы, изменяя ее длину.

Горелка во время испытаний на мартеновской печи обеспечи­вала подачу 1700 м3/ч природного газа и 2500 кг/ч мазута. Газо­мазутная горелка данной конструкции может работать как по га-

Зомазутному варианту, так и только на мазуте. В качестве распы­лителя мазута может быть использован как перегретый пар с давлением 10 ат, так и компрессорный воздух с давлением 6— 7 ат. Газомазутная горелка УПИ обеспечивает жесткий настиль­ный и высокотемпературный факел.

В этом же институте разработана конструкция одноканальной головки со смесительным устройством (рис. 77). В предложенной головке осуществляются процессы подготовки (газификация и пи­ролиз) жидкого и газового топлива до входа в рабочее простран­ство мартеновской печи. Воздух, подогретый в регенераторах, эжектируется в смесительное устройство двумя жесткими струями сжатого воздуха или кислорода. Общее количество воздуха, пода-

Ваемого таким способом, составляет 40—50% от необходимого для горения. Распыленное жидкое топливо или природный газ вво­дятся в центральную часть смесительного устройства — кессона. Воздух, необходимый для полного сжигания топлива, подается по боковым каналам между кессоном и стенками головки. Для регу­лирования светимости и длины факела достаточно изменить расход сжатого воздуха. Положительной стороной такой головки является то, что она может работать на высокосернистом мазуте.

Газокислородная горелка (рис. 78), предназначенная для плавки металла, перегрева расплава и продувки его кислородом, создана при участии автора и испытывалась на одном из метал­лургических комбинатов в вертикальном конверторе. Горелка имеет водяное охлаждение корпуса для предотвращения его перегрева. Природный газ подается через насадок, который имеет 12 отвер­стий, расположенных симметрично по окружности. Кислород по­дается по кольцевому пространству между газовым насадком и водоохлаждаемым корпусом. Центральная трубка предназначена для подачи кислорода на продувку, но может быть также исполь­зована для подачи части кислорода на горение. Производитель­ность испытанной горелки по природному газу 40 м3/ч. Расход кис­лорода на горение зависит от коэффициента избытка кислорода и
при оптимальном ак=1,05 составляет 82 м3/ч, а расход кислорода на продувку — примерно 30 м3/ч.

Специальными исследованиями были установлены: наилучшее направление истечения струй газа и кислорода при выходе из на­садка горелки — <р; оптимальное соотношение скоростей истечения газа и кислорода на выходе из насадка — шг/шк; оптимальный ко­эффициент избытка кислорода — ак. Результаты этих исследова­ний, приведенные на рис. 79, позволили выявить оптимальные зна­чения конструктивных и режимных параметров горелки (ф=0°; шг/шк=5,0; ак=1,05). Обработка полученных экспериментальных данных по нескольким модификациям газокислородной горелки дала возможность установить основные ее размеры в зависимости от размеров вертикального конвертора. Полученные соотношения имеют вид:

^=0,125УК-, а2=олУ^; <'4=0,00675 [//’к;

</0=0,01251/7^; £=0,81//«,

Где — площадь поперечного сечения рабочей части конвертора; £/[ и (12 — соответственно наружный и внутренний диаметры кольца для подачи кислорода; (1С— диаметр газовыпускных отверстий; е£0 — диаметр центрального отверстия для кислорода; Ь— длина насадка.

В последнее время в ряде технологических агрегатов находят применение так называемые погружные газовые горелки, предна значенные для контактного нагрева жидкости. Продукты сгорания газа барботируют через жидкость, при этом обеспечивается интен­сивная теплопередача от газов и жидкости, хорошее перемешива­ние теплоносителей и значительно сокращается время нагрева. В Центрэнергометаллургпроме разработано и изготовлено по­гружное газогорелочное устройство (рис. 80) для нагрева раство­ров в открытых ваннах до 80° С.

Основная горелка устанавливается вертикально в керамической камере, стенки которой охлаждаются воздухом, поступающим за­тем через завихритель в горелку. Газ подается через систему газо­выходных отверстий в закрученный поток воздуха, в результате чего достигается хорошее смешение. Продукты сгорания посту­пают в нагреваемую жидкость через перфорированную распреде­лительную трубу.

Для зажигания основной горелки используется запальная го­релка. Пуск ее осуществляется с помощью электромагнитного кла­пана и электросвечи. После включения основной горелки запаль­ная автоматически отключается. Для контроля за наличием пла­мени в камере сгорания установлен фотодатчик. Давление газа и воздуха перед горелкой 0,3 кгс/см2. Горелка снабжена автомати­кой регулирования и безопасности.

Испытания газогорелочного устройства показали, что оно рабо­тает устойчиво и обеспечивает полное сжигание газа. Температура нагреваемой жидкости равномерна по глубине и ширине ванны.

Расход топлива на нагрев жидкости снижается на 30—40% по сравнению с паровым нагревом.

Погружная горелка, предназначенная для нагрева жидкостей в открытых ваннах и выпарных аппаратах, разработана также в ИГ ЛИ УССР. Продукты сгорания, попадая в жидкость через вы-

Хлопной патрубок, проходят через кольцевой зазор и демпферную решетку, увлекая за собой нагреваемую жидкость. Новые порции жидкости на нагрев поступают через торцевой срез и отверстия в нижней части циркуляционной трубы. Технические характери-

Стики горелки следующие:

Тепловая нагрузка, ккал/ч.................................... 170000

TOC o "1-5" h z Расход природного газа, м3/ч... 20

Давление газа, кгс/см2..................................... . 0,1—0,5

Давление воздуха, мм вод. ст................................... 350—500

Уровень затопления, мм, от конца выхлопного

Патрубка.............................................................. 300

Колебание уровня раствора, мм............................... ±50

В ИГ АН УССР разработано несколько модификаций электро- газовой горелки для интенсификации тепловых процессов в метал лургии, машиностроении и химической промышленности (рис. 81).

Ее конструкция позволяет получать факел с температурой продук­тов сгорания порядка 2500—3000° С. Это достигается за счет сжи­гания природного газа в электрическом поле высокого напряжения (1500—3500 в). Необходимая электропроводность факела соз­дается введением в него легкоионизируемых добавок. Изменяя ве - личину плотности электрического поля факела, можно регулиро­вать в широком диапазоне температуру факела независимо от из­бытка окислителя. Технические характеристики двух типоразмеров горелки приведены в табл. 64.

Таблица 64