Способ управления размерами газового факела и газовая горелка для его осуществления

 

Изобретение относится к области энергетики. Способ управления размерами факела во вращающейся печи при постоянном расходе горючего газа, заключающийся в изменении интенсивности смешения этого 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. В качестве первичного окислителя используют сжатый воздух, часть расхода которого подают через наружное кольцевое сопло, а другую часть - через внутреннее кольцевое сопло. В качестве первичного окислителя используют кислород, часть расхода которого подают через наружное кольцевое сопло, а другую часть - через внутреннее кольцевое сопло. 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 для уменьшения длины факела, и наоборот, осуществляя уменьшение доли первичного окислителя, подаваемого через наружное кольцевое сопло, для уменьшения интенсивности смешения и увеличения длины факела - при сохранении расхода первичного окислителя через наружное кольцевое сопло не менее 20% от его общего расхода на горелку. Изобретение позволяет изменять конфигурацию факела во вращающейся печи. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 3 ил.

Одним из основных требований, предъявляемых к горелочным устройствам современных вращающихся печей, является возможность изменения в широких пределах размеров факела, в особенности его длины. Это необходимо для изменения режима обжига при постоянной тепловой нагрузке, например, для изменения длины зоны спекания при изменении свойств обжигаемого материала, а также для подавления процесса образования настылей (колец) на огнеупорной футеровке печи, т.е. налипания материала на футеровку 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. изменять длину факела.

В то же время изменять геометрические размеры, в частности длину факела при постоянной тепловой нагрузке можно лишь 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 с помощью различных подвижных элементов, расположенных вблизи горячего (выходного) торца горелки. Например, путем перемещения в осевом направлении конического подвижного элемента, расположенного внутри конфузорного сопла, изменяют выходное сечение горелки и тем самым скорость газа или первичного (принудительно подаваемого в горелку) окислителя на выходе из нее. Путем изменения угла наклона лопаток завихрителя, установленного вблизи выходного сечения, изменяют степень крутки потока газа или первичного окислителя.

Известен разработанный фирмой "UNITERM-CEMCON Gmbh" (Австрия) способ изменения интенсивности смешения газа с воздухом, заключающийся 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 M.A.S. /3/ EG. Техническая документация).

Однако использование подвижных элементов, расположенных в высокотемпературной зоне, является существенным недостатком этого способа управления размерами факела, создаваемого многосопловой горелкой: воздействие высоких температур делает работу этих устройств ненадежной, а применение теплозащиты из огнеупорного бетона значительно усложняет конструкцию и эксплуатацию горелки.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению техническим решением является способ изменения интенсивности смешения газа с воздухом и тем самым изменения длины факела в результате перераспределения расхода газа между центральным и периферийными газовыми соплами многосопловой горелки (Винтовкин А.А., Ладыгичев М.Г., Гусовский В.Л., Усачев А.Б. Современные горелочные устройства (конструкции и технические характеристики). Справочник. М.: Машиностроение-1, 2001, стр.105-107). Горелка, предназначенная для реализации этого способа, содержит периферийные газовые сопла, установленные на наконечниках, снабженных лопатками, закручивающими потоки вентиляторного воздуха, коаксиально обтекающие каждый наконечник.

Предлагается способ управления 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, отличающийся тем, что часть расхода горючего газа, подаваемую через ряд периферийных сопел, закручивают, а другую часть подают в виде прямоструйного потока через центральное сопло. Таким образом, в отличие от известного способа закручивается не поток воздуха, обтекающего каждое периферийное сопло, а поток горючего газа, истекающего из этого сопла, что повышает эффективность крутки в связи с высокой скоростью горючего газа.

В отличие от известного способа в предлагаемом способе в качестве первичного окислителя предлагается использовать сжатый воздух, подаваемый под высоким давлением (компрессорный, а не вентиляторный воздух, который подается под низким давлением), или кислород.

Другим отличием предлагаемого способа является 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.

На фиг.1 изображена газовая горелка, общий вид;

на фиг.2 - вид А на фиг.1;

на фиг.3 - разрез Б-Б на фиг.2.

Корпус газовой горелки для вращающихся печей состоит из центрального канала 7 для подачи горючего газа (газообразного топлива), заканчивающегося центральным соплом 2, канала для подачи первичного окислителя 3, завершающегося внутренним кольцевым соплом 4, периферийного канала для подачи газообразного топлива 5, завершающегося периферийными соплами 6, расположенными под углом к оси горелки, а также наружного канала для подачи первичного окислителя 7, завершающегося наружным кольцевым соплом 8. Таким образом, предлагаемая конструкция предусматривает отдельный подвод горючего газа к центральному соплу 2 и к ряду периферийных сопел 6, а также отдельный подвод первичного окислителя к внутреннему 4 и наружному 8 кольцевым соплам.

Конструкцию горелки целесообразно изготовить из четырех коаксиальных труб для подвода горючего газа и первичного окислителя к соплам, а периферийные сопла для подачи горючего газа выполнить в виде сопла Лаваля. В отличие от известной горелки периферийные сопла 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°. Выбранный диапазон объясняется тем, что при угле наклона меньше 5° поток практически не закручивается и поэтому не достигается хорошего смешения горючего газа с окислителем; при угле наклона выше 30° в приосевой области факела возникает обширная зона обратных токов, что приводит к размыканию факела на стенки печи и к пережогу обрабатываемого материала.

Целесообразно выполнить сопловую часть горелки съемной, что позволит устанавливать различные варианты периферийных сопел, отличающиеся углами наклона к оси горелки в указанном диапазоне. Чем больше этот угол, тем меньше нижний предел длины факела, регулируемой описанным выше способом. Необходимость изменения этого нижнего предела длины факела может возникать при изменении технологии обжига, либо при изменении характеристик используемого топлива.

В трубе, подводящей горючий газ к центральному соплу, может устанавливаться запальная горелка, либо форсунка для сжигания других видов топлива, что облегчит эксплуатацию горелки и расширит возможности ее применения.

При работе горелки горючий газ, подаваемый в центральный канал 1, выходит прямоструйным потоком из центрального сопла 2, а подаваемый в периферийный канал 5 - закрученным потоком через периферийные сопла 6. При этом происходит интенсивное смешение горючего газа с первичным окислителем, подаваемым в каналы 3 и 7 и выходящим из кольцевых сопел 4 и 8, а также вторичным окислителем - воздухом, подсасываемым из окружающей среды или из холодильника через разгрузочный торец печи под действием разрежения. Конфигурация факела, образующегося при горении газа, зависит как от распределения горючего газа между центральным 2 и периферийными 6 соплами, так и от распределения первичного окислителя между внутренним 4 и наружным 8 кольцевыми соплами.

Проведено математическое моделирование конфигурации факела в зависимости от доли газообразного топлива, поступающего через периферийные сопла. Результаты моделирования для горелки с диаметром центрального сопла d₁=50 мм, работающей на природном газе и использующей в качестве окислителя воздух, приведены в таблице.

Получено, что увеличение доли расхода газа, подаваемой через периферийные сопла, вследствие крутки газового потока и большой поверхности контакта с потоками первичного и вторичного воздуха интенсифицирует смешение, что приводит к сокращению длины факела с 25 м (при отсутствии подачи через периферийные газовые сопла) до 12 м (при 100% подачи через периферийные газовые сопла). Ширина факела при этом увеличивается.

Дополнительное регулирование длины факела может быть достигнуто изменением доли первичного окислителя, подаваемого через наружное кольцевое сопло 8 - ее увеличение позволяет дополнительно сократить длину факела, а уменьшение приводит к возрастанию этой величины. При этом во всех случаях использование сжатого (компрессорного) воздуха обеспечивает получение жесткого факела с напряженным интенсивным горением.

Таким образом, предлагаемые способ управления размерами газового факела и устройство горелки для его осуществления позволяют изменять конфигурацию факела во вращающейся печи без использования подвижных элементов, расположенных в области высоких температур.

Формула изобретения

1. Способ управления размерами факела во вращающейся печи при постоянном расходе горючего газа путем изменения интенсивности смешения этого газа с окислителем в результате перераспределения расхода горючего газа между периферийными соплами газовой горелки и ее центральным соплом, отличающийся тем, что часть расхода горючего газа, подаваемую через ряд периферийных сопел, закручивают, а другую часть подают в виде прямоструйного потока через центральное сопло.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве первичного окислителя используют сжатый воздух, часть расхода которого подают через наружное кольцевое сопло, а другую часть - через внутреннее кольцевое сопло.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве первичного окислителя используют кислород, часть расхода которого подают через наружное кольцевое сопло, а другую часть - через внутреннее кольцевое сопло.

4. Способ по одному из пп.1-3, отличающийся тем, что 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 для уменьшения длины факела, и наоборот, осуществляя уменьшение доли первичного окислителя, подаваемого через наружное кольцевое сопло, для уменьшения интенсивности смешения и увеличения длины факела - при сохранении расхода первичного окислителя через наружное кольцевое сопло не менее 20% от его общего расхода на горелку.

5. 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, отличающаяся тем, что периферийные сопла для подачи горючего газа, выполненные 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°.

6. Газовая горелка по п.5, отличающаяся тем, что она содержит два кольцевых сопла для подачи первичного окислителя - наружное и внутреннее - с отдельными подводами первичного окислителя к каждому из них.

7. Газовая горелка по п.5 или 6, отличающаяся тем, что внутри трубы, подводящей горючий газ к центральному соплу, установлена запальная горелка либо форсунка для сжигания других видов топлива.

8. Газовая горелка по одному из пп.5-7, отличающаяся тем, что ее сопловая часть выполнена съемной.

РИСУНКИРисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3