ГОРЕЛОЧНОЕ УСТРОЙСТВО ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО СМЕШЕНИЯ Российский патент 1994 года по МПК F23D14/00 

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано при сжигании газового топлива, в частности содержащего водород, например, коксового газа или его смесей с другими газами, и может быть использовано преимущественно в черной металлургии для отопления нагревательных печей, а также в топках различных теплотехнических устройств.

Известны горелочные устройства, содержащие смеситель цилиндрической формы и выполненный с ним заодно кольцевой коллектор с радиальном расположенными отверстиями для периферийной подачи газа внутрь его.

Радиальная схема подачи струй газа в смесительную камеру поперек воздушного потока создает заметное гидравлическое сопротивление на пути движения воздуха и газа, что приводит к увеличению необходимого давления воздуха и газа перед горелкой, а значит, и уменьшению пределов регулирования.

Кроме того, радиальный способ смешения газовых струй при недостаточном давлении газа перед горелкой не обеспечивает достаточную сплошность заполнения воздушного потока струями газа, что ухудшает интенсивность перемешивания газа и воздуха и, как следствие, снижает эффективность работы горелочного устройства. Для интенсификации смешения газа с воздухом необходимо увеличить давление газа в кольцевом газоподающем коллекторе, т. е. , вообще, перед горелкой, что обеспечит свободное развитие каждой струи газа и достижение достаточной глубины проникновения их в воздушный поток.

Необходимость повышения и в этом случае давления газа перед горелкой опять же приводит к уменьшению диапазона регулирования и снижение устойчивости работы горелочного устройства.

Известна горелка, состоящая из корпуса, имеющего конический воздушный канал и независимо питаемые газовые каналы, расположенные концентрично по оси горелки, которые соответственно соединены цилиндрическими кольцами, расположенные концентрично по оси горелки, которые соответственно соединены цилиндрическим кольцами с отверстиями для прохода газа в воздушный поток, причем одно из колец служит турбулизатором потока газовых струй другого кольца.

Данная горелка получила применение в секционных печах для скоростного нагрева трубной заготовки перед прокаткой и может работать только на природном газе.

Недостатком этой горелки является возможность воспламенения струй, которые выходят из большого кольца перпендикулярно меньшему, находящемуся ближе к устью горелки и происходит подгорание последнего, а то и полное его разрушение. Чтобы избежать выхода из строя горелки, вынуждены прикрывать подачу вторичного газа, т. е. на большое кольцо, при этом мощность горелки снижается более, чем в 2 раза, а этого иногда становится недостаточно, чтобы нагреть трубную заготовку, не снижая скорости ее прохождения через печь, т. е. снижается производительность печи, нарушается работа стана. Иногда при прогаре первых (меньших) колец в горелках ничего не делают, т. е. газ подают обоими патрубками, но в этом случае факел теряет свою скорость (жесткость) и не создает вокруг трубной заготовки достаточный вращающийся поток газов, т. к. снижается конвективный теплообмен, кроме этого снижается качество прогрева заготовки, появляется так называемый односторонний нагрев, что затрудняет работу стана.

Известна горелка (прототип), в которой подача газа в смесительную камеру осуществляется пучком параллельных относительно друг друга газоподводящих труб, задние концы которых установлены в трубной доске, размещенной в цилиндрическом корпусе, являющемся продолжением смесительной камеры, а выходные снабжены в торце глухими перегородками, превышающими наружный диаметр последних в 1,05-1,2 раза, а в боковых стенках - радиальными отверстиями, размещенными несколькими поперечными рядами в шахматном порядке, причем суммарная площадь сечений всех газоподводящих труб равна площади поперечного сечения межтрубного пространства корпуса.

В этой горелке выполнение пучка газоподводящих труб с суммарной площадью проходных сечений, равной площади поперечного сечения межтрубного пространства, позволяет достичь равномерного распределения газа в воздушном потоке. Однако и здесь истечение газа из газоподающих труб через боковые радиальные отверстия поперек воздушного потока создает дополнительное гидравлическое сопротивление на пути движения воздуха, газа и образующейся следом газовоздушной смеси.

Известная горелка хорошо зарекомендовала себя при сжигании низкокалорийных углеводородных газовых топлив, исключающих сколько-нибудь значительное содержание влаги и примесей.

Работа таких горелок на содержащих водород топливах, например, коксовом газе или его смесях с другими газами, газовоздушная смесь которых характеризуется высокими скоростями распространения пламени, по сравнению с углеводоровоздушными смесями приводит к проскоку пламени в смеситель, что вынуждает уменьшать пределы регулирования производительности.

Наличие в коксовом газе таких примесей, как пары нафталина, смольных веществ, может привести к постепенной закупорке малых радиальных отверстий в газоподводящих трубах, а наличие влаги способствует накоплению конденсата в корпусе горелки, для удаления которого не предусмотрен слив.

Целью изобретения является расширение диапазона устойчивой работы горелочного устройства, в том числе и при сжигании водородсодержащих топлив, повышение эффективности сжигания газа, стабильности горения и эксплуатационной надежности, улучшение условий сжигания газа, содержащего конденсат, обеспечение удобства компоновки, ускорение монтажа и сокращение сроков ремонта.

Поставленная цель достигается тем, что в предлагаемом горелочном устройстве предварительного смешения, содержащем корпус, с установленным в нем кольцевым газоподающим коллектором, газоподающие трубы, равномерно размещенные по сечению коллектора, камеру смешения и патрубки для подвода воздуха и газа, согласно изобретению, газоподающие трубы изогнуты под углом 90^о в направлении истечения газовоздушной смеси и установлены в камере смешения, по крайней мере, тремя коаксиально расположенными рядами, представляющими собой соосные концентрические окружности, равноудаленные между собой и от внутренней поверхности камеры смешения на расстояние, равное диаметру меньшей окружности. Камера же смешения размещена в съемной водоохлаждаемой части корпуса и выполнена на конус, в виде конфузора, переходящего в цилиндр, при этом длина конфузорной части не менее диаметра большего основания конуса, стыкуемого с цилиндрической частью камеры смешения, размещенной в коллекторе. Длина цилиндрической камеры смешения составляет половину диаметра последнего, при этом площадь поперечного сечения цилиндрической части камеры смешения, расположенной внутри кольцевого газоподающего коллектора в 5-6 раз меньше площади выходного сечения конфузора.

Количество газоподающих труб в каждом последующем ряду превышает количество газоподающих труб предыдущего ряда в 2 раза.

Концы газоподающих труб выдвинуты внутрь полости кольцевого газоподающего коллектора на длину, равную (0,3-0,5) внутреннего диаметра труб, а для периодического удаления конденсата в нижней точке коллектора устанавливают сливной штуцер с краном.

Предлагаемое горелочное устройство выполнено из четырех узлов, соединенных между собой с помощью фланцевых соединений, что обеспечивает высокую эксплуатационную надежность работы горелки, ускоряет монтаж ее и упрощает ремонт, т. к. для этого достаточно заменить вышедший из строя узел, а так же обеспечивает удобство при монтаже.

Предлагаемое количественное соотношение газоподающих труб по их рядам способствует наиболее равномерному распределению газа по сечению смесителя и его перемешиванию с воздухом, что увеличивает эффективность сжигания газа и снижает его расход. Это также является наиболее оптимальным и с точки зрения конструктивного исполнения.

Применение в устройстве съемной водоохлаждаемой головки с камерой смешения в виде конфузора, переходящего в цилиндрическую часть, с длиной конфузорной части не менее диаметра большего основания, и длиной цилиндрического участка, составляющей половину его диаметра при помощи поперечного сечения в 5-6 раз меньше входного сечения конфузора, увеличивает стойкость головки горелки, улучшает смешение газа с воздухом и препятствует проскоку пламени внутрь смесителя, что расширяет диапазон устойчивой работы устройства и повышает эффективность сжигания газа.

Высов входных концов газоподающих труб в полость кольцевого коллектора на длину, равную 0,3-0,5 внутреннего диаметра труб, исключает возможность попадания конденсата в смеситель при работе на конденсатосодержащих газах. Это улучшает условия по повышению эффективности сжигания топлив, содержащих конденсат, а установка в нижней точке коллектора штуцера с краном позволяет своевременно удалять накопившуюся жидкость.

Дополнительный поиск известных в науке и технике решений показал, что выдвинутые технические решения в предлагаемом горелочном устройстве предварительного смешения для достижения поставленных целей в известных решениях не обнаружены.

Следовательно, предложенное горелочное устройство отвечает критерию "существенные отличия".

На фиг. 1 изображено предлагаемое горелочное устройство, продольный разрез; на фиг. 2 - вид по стрелке А на фиг. 1; на фиг. 3 - разрез Б-Б на фиг. 1.

Устройство содержит корпус с водоохлаждаемой головкой 1 и цилиндрической частью 2, воздушный патрубок-переход 3, патрубок 4 для подвода воздуха. В головке корпуса 1 с целью ее охлаждения, размещен змеевик 5, по которому циркулирует вода. В цилиндрической части корпуса расположен кольцевой газоподающий коллектор 6 с боковым подводом газа через патрубок 7, газоподающие трубы 8, изогнутые под углом 90^о в направлении истечения газовоздушной смеси и равномерного расположенные вкруговую в три ряда в соотношении количественно 1: 2: 4 со стороны подачи воздуха. В нижней части газоподающего кольцевого коллектора 6 установлен сливной патрубок 9 с краном 10. Воздушный патрубок-переход 3 представляет собой усеченный конус, примыкающий к смесителю 2 своим большим основанием. Патрубок 4 для подвода воздуха выполнен в виде отвода по диаметру меньшего основания конусообразного воздушного патрубка-перехода 2 и оборудован гляделкой 11, соосной с центральной осью горелочного устройства. Гляделка 11 имеет крышку-колпачок 12 с защитным термостойким стеклом 13. Соединение основных узлов корпуса горелочного устройства - фланцевое. В местах соединения корпуса горелочного устройства 1 с воздушным патрубком-переходом 3 устанавливают асбестовые прокладки 14, а фланцевое соединение воздушного патрубка-перехода 3 с патрубком 4 подвода воздуха уплотняется паронитовой прокладкой 15. Камера смешения состоит из конфузора 16, переходящего цилиндра 17, расположенного в водоохлаждаемой головки 1, и цилиндрической части 18, расположенной внутри коллектора 6.

Предлагаемое горелочное устройство предварительного смешения работает следующим образом:
Через патрубок 7 в кольцеобразный коллектор 6, обрамляющий цилиндрическую часть камеры смешения 2, подается газ, например, коксовый, а оттуда он равномерно поступает через газоподающие трубы 3 в камеру смешения. Через отвод 4 и переходной патрубок-диффузор 3 в камеру смешения подается вентиляторный воздух. При истечении из труб газ подхватывается параллельно истекающими струями воздуха в межтрубном пространстве, образуемом горизонтальными участками газоподающих труб. Вертикальные участки газоподающих труб, радиально направленные тремя рядами к центральной оси смесительной камеры, играют роль завихрителя, способствуют турбулизации воздушного потока и интенсифицируя таким образом процессы смешения газовых и воздушных струй.

Таким образом, смешение газа с воздухом начинается уже на срезе газоподающих труб в самом смесителе и продолжается в водоохлаждаемой части корпуса 1. Благодаря тому, что водоохлаждаемая часть камеры смешения своей внутренней частью выполнена на конус, в виде конфузора, интенсивность дальнейшего смесеобразования значительно увеличивается, а значит и качество приготовляемой смеси.

Водоохлаждение корпуса головки с помощью специально размещенного змеевика 5 препятствует ее перегреву и играет роль баpьера, препятствующего проскоку пламени внутрь смесителя. Подача холодной воды осуществляется снизу, а слив уже отработанной из змеевика - сверху.

Воспламенение предварительно приготовленной газовоздушной смеси происходит уже на выходе из цилиндрической части водоохлаждаемой головки при соприкосновения с раскаленными стенками горелочного тоннеля (амбразуры).

При сжигании в предлагаемом горелочном устройстве конденсато-содержащих газовых топлив, таких как коксовый, доменный, ферросплавный газы, для исключения попадания конденсата в смеситель через газоподающие сопла, входные концы их заварены в радиальных отверстиях корпуса камеры смешения с превышением над внешней поверхностью на (0,3-0,5) их внутреннего диаметра. Капли выпадающего из поступающего газа конденсата стекают по цилиндрической стенки камеры смешения в нижнюю часть кольцеобразного газоподающего коллектора, откуда при накоплении его периодически удаляют через сливной патрубок 9 с краном 10.

Таким образом, благодаря такому техническому решению по удалению конденсата из газа перед поступлением его уже в камеру смешения улучшаются условия и повышается эффективность сжигания газообразных топлив, содержащих в той или иной степени конденсат. Для визуального контроля качества горения служит гляделка 11, оборудованная термостойким стеклом 13 в предохранительном колпачке-крышке 12.

Гляделка, установленная соосно с продольной центральной осью всего горелочного устройства, одновременно исполняет роль запального отверстия при розжиге горелочного устройства, для этого необходимо свинтить колпачок-крышку с защитным термостойким стеклом.

Розжиг предлагаемого газогорелочного устройства осуществляется от переносного электрогазового запальника.

Благодаря тому, что газоподающий узел в виде кольцеобразного коллектора выполнен заодно со смесительной камерой, это придает горелочному устройству компактность.

Соединение основных четырех узлов предлагаемого горелочного устройства: камеры смешения, его головки, воздушного патрубка-перехода и воздухоподающего отвода, с помощью фланцевых соединений обеспечивает дополнительную эксплуатационную надежность работы горелочного устройства, ускоряет, упрощает обслуживание и, в случае необходимости, ремонт, так как достаточно заменить только вышедший из строя узел, не демонтируя в целом горелочное устройство.

Использование горелочного устройства предварительного смешения предлагаемой конструкции позволит расширить диапазон регулирования и повысить устойчивость работы при сжигании газа с различной теплотой сгорания, в том числе обеспечить эффективную и устойчивую работу горелки на водородовоздушных смесях без проскока пламени в смеситель и при использовании искусственных газообразных топлив, содержащих конденсат и некоторое количество попутных примесей, остающихся при некачественной очистке газов.

Предлагаемое горелочное устройство прошло опытно-промышленные испытания на топках гаража размораживания сыпучих грузов N 4 ЧерМК при отоплении коксовым газом с теплотой сгорания 16,8-17,6 МДЖ/м³ и показало надежность работы в широком диапазоне регулирования производительности. (56) Авторское свидетельство СССР N 300715, кл. F 23 D 17/00, 1971.

Авторское свидетельство СССР N 308271, кл. F 23 D 14/02, 1971.

Авторское свидетельство СССР N 918672, кл. F 23 D 14/00, 1982.

Использование: при сжигании газового топлива, в частности содержащего водород, например, коксового газа или его смесей с другими газами в черной металлургии для отопления нагревательных печей, а также в топках различных теплотехнических устройств. Сущность изобретения: в горелке, содержащей корпус с выходным насадком, газовый коллектор и газоподающие трубки, в полости корпуса и выходного насадка, выполненного водоохлаждаемым и съемным, расположена камера смешения в виде двух цилиндров, сопряженных конфузором, трубки загнуты под прямым углом и расположены в камере смешения концентрическими рядами на определенном расстоянии друг от друга и от стенки камеры, причем геометрические размеры конфузора и меньшего из цилиндров камеры смешения связаны определенными соотношениями. 2 з. п. ф-лы, 3 ил.

1. ГОРЕЛОЧНОЕ УСТРОЙСТВО ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО СМЕШЕНИЯ, содержащее корпус с патрубком подвода воздуха и выходным насадком и размещенную в их полости камеру смешения в виде аксиально установленных цилиндров разного диаметра, сопряженных конфузором, а также расположенный в корпусе кольцевой газоподающий коллектор с подающим патрубком, подключенный к газоподающим трубам, равномерно размещенным по его сечению, отличающееся тем, что выходной насадок выполнен съемным и водоохлаждаемым, газоподающие трубы изогнуты под прямым углом спутно по ходу газовоздушной смеси и размещены на по крайней мере трех концентрических окружностях на расстоянии между собой и боковой стенкой большего цилиндра камеры смешения, равном диаметру меньшей окружности, причем длина конфузора не менее диаметра его большего основания, длина меньшего цилиндра равна половине его диаметра и площадь поперечного сечения этого цилиндра в 5 - 6 раз меньше площади поперечного входного сечения конфузора, а в нижней части коллектора установлен сливной штуцер с краном. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что количество газоподающих труб в каждом последующем ряду превышает в два раза количество этих труб в предыдущем ряду. 3. Устройство по пп. 1 и 2, отличающееся тем, что концы газоподающих труб выведены в полость коллектора на длину, равную 0,3 - 0,5 их внутреннего диаметра.