7 (Лекции)

Устройства для сжигания топливаОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ВЫБОРА РАЦИОНАЛЬНЫХ МЕТОДОВСЖИГАНИЯ ТОПЛИВА В ПЕЧАХНагрев заготовок, поковок, деталей в пламенных печах осуществляется за счеттеплоты, выделяющейся в результате сгорания топлива (газообразного, жидкого), котороесжигают с помощью специальных топливосжигающих устройств: горелок и форсунок.Устройства для сжигания топлива предназначены для того, чтобы обеспечитьпревращение химической энергии топлива в тепловую энергию, необходимую дляосуществления технологических операций в рабочем пространстве печи. Метод сжиганиятоплива выбирают в зависимости от вида топлива и назначения печи.Выбирая и размещая устройства для сжигания топлива для конкретной конструкциипечи, нужно обеспечить:1) в рабочем пространстве печи необходимую действительную температуру;2) необходимый характер изменения температуры по длине и ширине печи;3) подвод топлива, который соответствовал бы выбранному распределениютемпературы;4) такой характер движения газов и теплообмена, который для данной печи являетсянаиболее целесообразным.Кроме перечисленных задач при выборе устройств для сжигания топлива и системотопления учитывают также следующие факторы: возможность использования подогретыхгаза и воздуха, надежность эксплуатации и удобство обслуживания и ряд других факторов,связанных с особенностями конструкции печей.ТРЕБОВАНИЯКГОРЕЛКАМ,ФОРСУНКАМИИХКЛАССИФИКАЦИЯГорелки для газа и форсунки для мазута предназначены для ввода топлива и воздуха втопку или рабочее пространство печи, перемешивания горючего с кислородом ивоспламенения горючей смеси.Самой важной задачей топливосжигающих устройств является обеспечение условийобразования горючей смеси топлива с воздухом.

Смесеобразование осуществляется путеммолекулярной и турбулентной диффузии. Молекулярная диффузия является медленным1процессом по сравнению с перемешиванием потоков вихрями (турбулентной диффузией).Она имеет место при ламинарном режиме движения потоков топлива и воздуха, а также ивнутри вихрей.Для повышения производительности горелки без ухудшения полноты сгорания газанеобходимо увеличить скорость смесеобразования. Скорость можно повысить путемдополнительного увеличения турбулентности потоков, что достигают использованиемрассекателей, диффузоров и закручиванием потоков и т.

п. Увеличения турбулентностидостигают тем или иным способом в зависимости от конкретных условий.Процесс горения мазута более сложный, чем процесс горения газообразного топлива.Мазут — смесь сложных жидких углеводородов. При горении, как и газообразное топливо,он подвергается своеобразной «газификации» с образованием активных центров.При горении жидкого топлива можно выделить следующие стадии: распылениетоплива и смешивание его с воздухом, подогрев смеси и испарение легких фракций,термическое расщепление и горение газовой фазы.

Эти стадии взаимосвязаны между собой ив какой-то степени совмещены. Для создания условий полной «газификации» мазутанеобходимо, чтобы процесс нагревания и испарения капель топлива протекал быстро и принеобходимом количестве кислорода. Несоблюдение этих условий может привести к полномуразложению углеводородов с образованием трудносжигаемых крупных частиц сажистогоуглерода. Тонкое распыление мазута резко уменьшает размер отдельных капель, чтоускоряет их прогрев, испарение и горение.Таким образом, топливосжигающие устройства в первую очередь должны обеспечитьсоздание нормальных приведенных выше условий горения различных топлив. Разработаномножество различных конструкций горелок и форсунок, среди которых нужно выбратьнаиболее эффективные для конкретного печного агрегата.СТРУКТУРА И ХАРАКТЕРИСТИКА ФАКЕЛОВФакелом называют поток раскаленных газов и несгоревшего топлива, образующийсяпри сжигании газа и мазута.

Строение факела характеризуется распределением в его объемеконцентраций отдельных газов, температур и динамических напоров.Особенность метода факельного сжигания — раздельная подача газа и воздуха вкамеру горения. При этом процесс перемешивания идет медленно, путем молекулярнойдиффузии и занимает большую часть камеры горения (рабочего пространства печи).Простейшая схема горения газа факельным способом при турбулентном характеретечения смешивающихся потоков газа и воздуха представлена на рис. 01. В начальной части2факела располагается ядро чистого газа 1 и зона наиболее интенсивного горения 3, гдеотмечается наиболее высокое содержание продуктов сгорания.

Внутри нее более «холодная»зона 5 с преобладающим содержанием газа, горящая зона 4 с избыточным содержаниемвоздуха, воздушная зона 2.1 - ядро чистого газа;2 - воздушная зона;3 - зона наиболее интенсивного горения4 - горящая зона с избыточным содержаниемвоздуха;5 - более «холодная» зона с преобладающимсодержанием газаЗа счет турбулентных пульсаций, возникающих, в частности, от неравномерногоувеличения отдельных объемов газа из-за горения очагами, происходит нарушение границотдельных зон горения.

Это сопровождается также непрерывными колебаниями давления, врезультате чего нарушается форма факела и даже его сплошность. На форму факела искорость выгорания газа оказывают влияние ограждающие поверхности камеры сгорания. Вдлинных и узких топочных камерах при установке горелок с торца возможно свободноеразвитие факела по длине. В короткой топочной камере факел ударяется в стену,искривляется, иногда даже происходит его разделение и перемешивание отдельных зон.Конфигурация факела зависит и от гидродинамических условий в камере сгорания, аименно при высоких скоростях выхода газа и воздуха загорание происходит на некоторомрасстоянии от горелки и иногда наблюдается отрыв факела.В зависимости от расположения, например при встречном размещении горелок, факелможет быть сосредоточен в центре камеры с образованием вихрей в нижней ее части или Vобразным при сводовых горелках и т.

д.Расстояние между осями горелок, угол их наклона, способ отвода продуктов сгоранияиз печи (сосредоточенный или рассредоточенный), место отвода (сверху, сбоку, снизу) —все это также сказывается на формирование факела. Значительное охлаждение факела врезультате затягивания его в тоннель или корпус горелки, а также удар факела о холодныеповерхности нагрева могут привести к затуханию и неполному сгоранию газа даже придостаточном количестве кислорода.Для правильного выбора необходимых размеров камер сгорания надо знать границы идлину факела. Границей факела считают поверхность, за которой химический недожогсоставляет 1…2 %.3УСТРОЙСТВА ДЛЯ СЖИГАНИЯ ГАЗА (ГОРЕЛКИ)Основным назначением горелок является организация процесса горения топлива так,чтобы обеспечить заданный, экономически целесообразный режим работы печи. Длядостижения этой цели горелка должна обеспечить:1) подвод и смешение между собой необходимых количеств топлива и воздуха;2) полноту сжигания топлива в пределах рабочего пространства печи;3)сжигание топлива с образованием такого пламени, которое может обеспечитьтребуемый по технологическим условиям уровень теплопередачи в рабочем пространствепечи.Таким образом, весь цикл, который составляет процесс сжигания топлива (смешениегорение-теплопередача),должен быть выполнен снаивысшей эффективностью,снаивысшим коэффициентом полезного действия.Основным классификационным признаком горелок является способ смешения газа своздухом.

По этому признаку горелки делят на три большие группы:1) с полным предварительным смешением газа и воздуха;2) с частичным предварительным смешением газа и воздуха;3) с внешним смешением.К первой группе относятся такие горелки, которые обеспечивают полное смешениетоплива и воздуха еще до выхода в печь.

В печь (в зону горения) подают заранееподготовленную горючую смесь; процесс горения имеет кинетический характер. Такиегорелки часто называют беспламенными, т.к. заранее подготовленная топливно-воздушнаясмесь, сгорая, почти не дает видимого пламени. Беспламенные горелки дают факел с малойизлучательной способностью, радиация такого факела быстро падает по мере удаления отгорелки.В горелках с частичным предварительным смешением к топливу предварительно (довыхода в печь) подмешивается только часть воздуха, необходимого для горения.В горелках с внешним смешением образование смеси происходит в одном объеме сгорением, который имеет диффузионный характер. В результате при сжигании топлив,содержащих углеводороды, образуется хорошо видимое пламя. Поэтому эти горелки частоназывают пламенными.Горелкисполнымпредварительнымсмешением(инжекционные горелки).В инжекционных горелках, дающих хорошее предварительное смешение топлива своздухом, необходимая полнота сгорания достигается при наименьшем по сравнению с4горелками других типов коэффициенте избытка воздуха.

Уменьшение коэффициентаизбытка воздуха влечет за собой увеличение температуры горения. Поэтому горелки спредварительным смешением для аналогичного топлива обеспечивают наивысшуютемпературу горения.Рис. 8.2. Схема установки инжекционныхгорелок на нагревательной печи: 1 — газовоесопло; 2 — групповой смеситель (инжектор);3 — горелки; 4 — огнеупорный тоннель(горел очный камень)Рис.8.3.Инжекторыбеспламенныхгорелок:а — цилиндрический; б — конический; в— эпюра давлений; 1 — газовое сопло; 2— труба-смесительИнжекционныйсмеситель,выполненныйотдельно от горелки5Рис.4.2.Инжекционныйсмеситель,выполненныйзаодно с горелкой:1-выходнойпартубок; 2 - воздушнаяшайба: 3 - газовое сопло; 4 смешивающая труба; 5 горелкаРис.

4.3. Инжекционная горелка,работающаянаподогретыхсредах:1 - туннель; 2 - горелка; 3-опорнаястойка;4-дроссельный клапан; 5 - колено;б - изоляцияГорелки с внешним смешением. Пламенные горелкиГорелки с внешним смешением получили очень широкое распространение на печахразличного назначения и размеров. В зависимости от их конструктивного оформления длинафакела изменяется в очень широких пределах. Общим для горелок с внешним смешениемявляется то, что до выхода из горелки топливо и воздух подаются по отдельным каналам.К недостаткам горелок с внешним смешением надо отнести следующие: 1) высокоезначение коэффициента избытка воздуха, что вызывает излишний расход топлива; 2) дляподачи воздуха необходим вентилятор; 3) для регулирования количества воздуха поизменению количества газа нужны специальные устройства.6Горелки типа «труба в трубе».Эти горелки (их часто называют двухпроводными) могут работать на различныхпечах и на различном топливе при небольшом давлении и допускают широкие пределырегулирования.Двухпроводныемалой(а),среднейбольшойгорелки(б)и(в)производительностиТурбулентные горелки.Эти горелки по конструктивным формам очень многообразны, однако общим для нихявляется то, что в них воздушная струя поступает тангенциально по отношению к газовой.Благодаря этому воздух приобретает вращательное движение, что способствует улучшениюперемешивания и общей турбулизации факела.Рис.4.6.Турбулентнаягорелкаконструкции Стальпроекта7Горелки типа ГНМ:а–общийвид;б–многосопловый наконечникГорелки с регулируемой длиной факела.В некоторых печах расход топлива изменяется во времени, При этом в соответствии сизменением тепловой нагрузки изменяются скорость истечения газа и воздуха и длинафакела, что может привести к нежелательному изменению температуры по длине рабочегообъема печи.