ДВУХСТУПЕНЧАТАЯ ГАЗОМАЗУТНАЯ ГОРЕЛКА МАРТЕНОВСКОЙ ПЕЧИ Российский патент 1994 года по МПК F23D14/38 

Изобретение относится к области сжигания газообразного топлива и может быть использовано в мартеновских печах.

Известна конструкция газозамкнутой горелки [1] , содержащая сопло Лаваля для получения сверхкритической скорости истечения газа.

Недостаток такой конструкции - отсутствие возможности изменения площадей проходных сечений газовой сопла, что не позволяет обеспечить оптимальные скоростные характеристики факела при отклонении начальных параметров газа перед соплом (давление, расход) от расчетных значений.

Известна также двухступенчатая газомазутная горелка с соосно расположенными мазутной форсункой и сверхзвуковым газом соплом [2] . Регулирование расхода распылителя осуществляется путем изменения площади критического сопла Лавала при перемещении мазутного сопла по горизонтали. Перемещением выходной трубы мазутной форсунки осуществляется изменение площади критического сечения сверхзвукового газового сопла, и, следовательно, регулирование расхода газа.

Как наиболее близкая по технической сущность данная конструкция принята в качестве прототипа.

Недостатком конструкции является следующее. Площади критического и выхлопного сечений сверхзвукового сопла определяются в зависимости от начальных параметров газа. Изменение начальных параметров газа приводит к несоответствию площадей проходных сечений расчетным значениям. В известной конструкции предусмотрено изменение площади критического сечения сопла в соответствии с параметрами газа перед горелкой. Однако площадь выхлопного сечения сопла остается неизменной при любых значениях давления и расхода газа. Так, при повышении давления газа перед соплом площадь критического сечения газового сопла может быть уменьшена до расчетного значения путем перемещения мазутной форсунки вправо, а площадь выходного сечения не изменяется, т. е. ее значение превышает расчетное. Вследствие этого происходит перераспределение потока газа, что ведет к потерям кинетической энергии и ухудшению скоростных характеристик факела. Эффект от повышения давления при этом не достигается.

При понижении начального давления газа мазутная форсунка перемещается влево и площадь критического сечения увеличивается в соответствии с ее расчетным значением. Выходное сечение в этом случае не изменяется. При истечении газа из сопла за его пределами происходит самопроизвольное расширение потока, которое сопровождается понижением скорости газа в струе и переходом части энергии движения в теплоту, что также оказывает негативное влияние на скоростные характеристики факела.

Цель изобретения - снижение расхода топлива за счет создания оптимальных скоростных характеристик факела при обеспечении соответствия геометрических размеров начальным параметрам газа.

Указанная цель достигается тем, что в известной конструкции горелки, содержащей коаксиально расположенные мазутную форсунку с выхлопной трубой первой ступени в регулируемое сверхзвуковое газовое сопло с выхлопной трубой второй ступени, причем диффузорная часть газового сопла образована по внешнему контуру участком выхлопной трубы второй ступени и по внутреннему контуру наружным конусом выхлопной трубы первой ступени мазутной форсунки, имеющей возможность перемещения по горизонтали, внешний контур диффузорной части сверхзвукового газового сопла присоединена к выхлопной трубе второй ступени промежуточным участком конической формы. Углы сходимости между образующими конусов промежуточного участка и выхлопной трубы первой ступени мазутной форсунки равны между собой. Длина диффузорной части газового сопла равна максимальной длине сопла Лаваля, соответствующей максимальному расходу и минимальному давлению газа перед соплом, длина наружного конуса выхлопной трубы первой ступени равна суммарной длине диффузорной части серхзвукового газового сопла и промежуточного участка, а длина промежуточного участка определяется из выражения:
l_кр = , где r_крmax - радиус выхлопной трубы мазутной форсунки в критическом сечении при его минимальной площади, мм;
r_крmin - радиус выхлопной трубы мазутной форсунки в критическом сечении при его максимальной площади, мм;
α - угол сходимости мазутного конуса, град.

Предлагаемое техническое решение отличается от известного тем, что наличие промежуточного участка конической формы позволяет при перемещении мазутной форсунки обеспечить изменение критического и выхлопного сечений сверхзвукового газового сопла таким образом, что при изменении начальных параметров газа перед горелкой геометрические размеры сопла (площади критического и выхлопного сечений) будут соответственно расчетным значениям. Это позволяет избежать работы газомазутной горелки в нерасчетном режиме и повысит кинетическую энергию факела.

Из сопоставительного анализа существенных признаков видно, что в заявляемом техническом решении имеются отличительные признаки по сравнению с прототипом, следовательно, оно обладает новизной.

В результате патентно-информационного поиска установлено, что заявленная совокупность признаков в известных аналогичных технических решениях не используется, следовательно, предложение обладает существенными отличиями.

На фиг. 1 изображена двухступенчатая газомазутная горелка; на фиг. 2 - узел I на фиг. 1.

Газомазутная горелка содержит мазутную форсунку 1 с выхлопной трубой первой ступени 2 и сверхзвуковое газовое сопло, включающее последовательно расположенные конфузор 3, критическое сечение 4 и диффузор 5. Внешний контур диффузорной части газового сопла присоединен к выхлопной трубе второй ступени 6 промежуточным участком конической формы 7.

Сверхзвуковое газовое сопло горелки (фиг. 2) включает выходное и критическое сечения, площади которых принимают минимальные значения (соответственно 8 и 9) при нахождении мазутной форсунки в крайнем правом положении 10, а максимальные значения (соответственно 11 и 12) - при крайнем левом положении форсунки 13 (штриховая линия). В положении 10 сопло имеет максимальную длину 14, соответствующую минимальному расходу и максимальному давлению газа перед соплом. Минимальная длина 15, которую сопло имеет в положении 13, определяется начальными максимальным расходом и минимальным давлением газа.

Поступающий на горение через мазутную форсунку 1 мазут предварительно распыляется компрессорным воздухом в выхлопной трубе первой ступени 2 и затем, перемещаясь в выхлопную трубу второй ступени 6, получает вторичное распыление природным газом. Природный газ с определенными начальными параметрами потока (давление Р и расход G) поступает в сужающуюся часть сопла 3 (конфузор), где его скорость увеличивается до звукового значения, затем в критическом сечении 4 газовый поток при соответствии размеров критического сечения начальным параметрам газа достигает критической скорости и в расширяющейся части сопла 5 (диффузоре) поток разгоняется до сверхзвуковых значений скорости. Сверхзвуковой поток природного газа истекает через промежуточный участок 7 в выхлопную трубу второй ступени, где, перемешиваясь с предварительно распыленным мазутом, топливная смесь поступает на горение.

При изменении давления и/или расхода перед горелкой в ту или иную сторону мазутная форсунка может перемещаться по горизонтали на величину, пропорциональную изменению начальных параметров, причем при увеличении давления и/или уменьшении расхода мазутная форсунка перемещается вправо, что приводит к уменьшению площади критического сечения до расчетного значения. Наличие промежуточного участка позволяет при этом соответственно уменьшить площадь выхлопного сечения до величины, соответствующей расчетному значению.

При обратном изменении начальных параметров (уменьшение давления, увеличение расхода) мазутная форсунка перемещается влево и площади критического и выходного сечений изменяются в сторону увеличения, но при этом также соответствуют расчетным значениям. Для обеспечения переменной величины площади выходного сечения при перемещении мазутной форсунки по горизонтали, в зависимости от начальных параметров газа, необходимо, чтобы промежуточный участок 7 имел коническую форму.

Угол сходимости между образующими конуса промежуточного участка (угол β на фиг. 2) определяется из выражения:
tgβ = = , где r_выхmax- радиус максимального выходного сечения сопла, мм;
r_выхmin - радиус минимального выходного сечения сопла, мм;
m - ход сопла;
m = = , где r_кр^max, r_кр^min - радиусы выхлопной трубы мазутной форсунки соответственно в минимальном и максимальном критических сечениях, мм;
α - угол сходимости мазутного конуса, град.

По теоретическим данным величина угла α составляет 6-8^о/ что соответствует предельному углу раскрытия сопла Лаваля/ при котором еще не наблюдается отрыв вихрей от стенок сопла.

Выразив радиусы выходных и критических сечений через максимальные и минимальные параметры газа/ получаем:
tgβ = , где r₂ - радиус выхлопной трубы мазутной форсунки, мм;
G_max, G_min - максимальный и минимальный расход газа перед соплом, кг/с;
ρ_г - плотность газа в выходном сечении, кг/м³;
w - скорость газа в выходном сечении, м/с.

K_г = ;
R - газовая постоянная, Н˙м/(кг˙^.град);
Р_г^max, P_г^min - соответственно максимальное и минимальное давления газа перед соплом, МН/м²;
Т - температура газа перед соплом, К.

Расчеты показали, что для любых значений давления и расхода газа при их изменении в заданных пределах значение угла сходимости между образующим конуса промежуточного участка соответствует величине угла сходимости мазутного конуса.

Из анализа геометрии профиля сопла следует, что длина промежуточного участка равна величине хода сопла m (фиг. 2), т. е. l_пр = m, где m = = .

Следовательно, длина промежуточного участка рассчитывается по формуле:
l_пр = .

П р и м е р. Для условий Сулинского металлургического завода изменение параметров природного газа перед газомазутной горелкой за счет изменения тепловой нагрузки или по другим эксплуатационным причинам составляет: Р_г^min = 0,392 МПа; Р_г^max = 0,588 МПа; расход G_г^min = 600 м³/ч = = 0,122 кг/с; G_г^max = 1200 м³/ч = 0,243 кг/с; температура газа не изменяется и составляет Т_о = 293 К.

Для определения длины диффузорной части газового сопла необходимо рассчитать максимальные площади и эквивалентные диаметры выходного и критического сечений сопла Лаваля, соответствующих максимальному расходу и минимальному давлению природного газа перед соплом. F_вых^maxсоответствует G_г^max = 0,243 кг/с и Р_г^min = 0,392 МПа и составляет 442,5 мм², а d_вых^max = 23,7 мм. F_кр^max составляет 349 мм², а d_кр^max = 21,1 мм. Принимая угол сходимости мазутного конуса α равным 7^о, получаем, что длина диффузорной части газового сопла равна 21,3 мм.

Для определения длины промежуточного участка необходимо рассчитать радиусы выхлопной трубы мазутной форсунки в критическом сечении сопла Лаваля при его максимальной и минимальной площадях (соответственно r_кр^minиr_кр^max ). Для этого выразим радиус широкого сечения выхлопной трубы газового сопла через максимальную площадь его выходного сечения и радиус выхлопной трубы мазутной форсунки, значение которого принимаем r₂= 12 мм:
r₁ = = 16,88 мм.

Зная r₁ и максимальную и минимальную площадь критического сечения сопла Лаваля, рассчитываем радиусы мазутного конуса в критическом сечении при его максимальной и минимальной площадях:
rmaкр

Полученные геометрические параметры сопла позволяют обеспечить расчетные значения критических и выхлопных площадей при колебании начальных параметров (давления и расхода) газа перед соплом в заданных пределах.

Применение предлагаемой конструкции газомазутной горелки позволит повысить кинетическую энергию факела на (15. . . 20)% и, тем самым, создать оптимальные скоростные характеристики факела и тем самым сократить расход топлива на 1,5-2% .

Сущность изобретения: горелка содержит коаксильно расположенные мазутную форсунку с выхлопной трубой первой ступени и регулируемое сверхзвуковое газовое сопло с выхлопной трубой второй ступени. Внешний контур диффузорной части сверхзвукового газового сопла присоединен к выхлопной трубе второй ступени промежуточным участком конической формы. Углы сходимости между образующими конусов промежуточного участка и выхлопной трубы первой ступени мазутной форсунки равны между собой. Длина диффузорной части газового сопла равна максимальной длине сопла Лаваля, соответствующей максимальному расходу и минимальному давлению газа перед соплом. Длина наружного конуса выхлопной трубы первой ступени равна суммарной длине диффузорной части сверхзвукового газового сопла и промежуточного участка. 2 ил.

ДВУХСТУПЕНЧАТАЯ ГАЗОМАЗУТНАЯ ГОРЕЛКА МАРТЕНОВСКОЙ ПЕЧИ, содержащая коаксиально расположенные мазутную форсунку с выхлопной трубой первой ступени и регулируемое газовое сопло с выхлопной трубой второй ступени, при этом диффузорная часть газового сопла образована по внешнему контуру участком выхлопной трубы второй ступени и по внутреннему контуру наружным конусом выхлопной трубы первой ступени мазутной форсунки, установленной с возможностью перемещения по горизонтали, отличающаяся тем, что, с целью снижения расхода топлива путем создания оптимальных скоростных характеристик факела при обеспечении соответствия геометрических размеров начальным параметрам газа, внешний контур диффузорной части сверхзвукового газового сопла присоединен к выхлопной трубе второй ступени промежуточным участком конической формы, при этом углы сходимости между образующими конусов промежуточного участка и выхлопной трубы первой ступени мазутной форсунки равны между собой, длина диффузорной части газового сопла равна максимальной длине сопла Лаваля, соответствующей максимальному расходу и минимальному давлению газа перед соплом, длина наружного конуса выхлопной трубы первой ступени равна суммарной длине диффузорной части сверхзвукового газового сопла и промежуточного участка, длина l_пр которого определяется из выражения
l_пр=
где r_кр.max - радиус выхлопной трубы мазутной форсунки в критическом сечении при его минимальной площади, мм;
r_кр.min -то же при его максимальной площади, мм;
α - угол сходимости мазутного конуса, град.