СПОСОБ СЖИГАНИЯ ГАЗООБРАЗНОГО ТОПЛИВА В ПРОТИВОТОЧНЫХ ТРУБЧАТЫХ ВРАЩАЮЩИХСЯ ПЕЧАХ Российский патент 1995 года по МПК F23C11/00 

Изобретение касается сжигания топлива при кальцинации в трубчатых вращающихся печах и может быть использовано в глиноземной и цементной промышленности.

Известен способ сжигания газообразного топлива, заключающийся в подаче газа и дутья через горелку. Недостатком этого способа является то, что он не предусматривает выбор рациональной длины факела, что приводит к неоправданным затратам топлива.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ сжигания топлива с определением длины факела в зависимости от конструкции горелочных устройств. Несмотря на то, что в данном способе определяется длина факела, но она никак не связана ни с технологическим процессом, ни с условиями сжигания топлива, ни с технико-экономическими показателями работы печей, что не позволяет производить процесс сжигания топлива эффективно.

Задачей предлагаемого технического решения является повышение эффективности процесса сжигания топлива.

Техническим результатом является определение оптимальной длины факела и условий выгорания топлива в факеле при отоплении трубчатых вращающихся печей для снижения расхода топлива и повышения производительности печи.

Этот технический результат достигается тем, что в известном способе сжигания газообразного топлива в противоточных вращающихся печах, включающем подачу газа и дутья через горелку с одновременным регулированием длины факела, задают оптимальную длину факела l_ф по формуле
l_ф= ln при (2,770-4,172) м; где характеристический параметр факела (постоянная длины факела), м;
α коэффициент избытка дутья;
Р коэффициент, характеризующий скорость выгорания топлива в факеле, 1/м;
V_г объем продуктов горения, приходящийся на единицу топлива, м³/м³;
С_г удельная теплоемкость продуктов горения, кДж/(м³ ˙ град);
Т_max максимальная температура факела, определяемая по формуле Т_max (0,935--0,007 l_ф)T_теор;
Т_теор теоретическая температура горения топлива, ^оС;
η доля тепла топлива, обеспечивающая тепловые процессы в факеле.

η
В часовой расход топлива, м³/ч;
Q_н^р теплотворность топлива, кДж/м³;
Q_потерь потери тепла через корпус печи на длине, равной длине факела, и через горячую головку печи, кДж/ч;
I_ф физическое тепло, вносимое топливом и дутьем на единицу топлива, кДж/м³;
Q_дис тепло, затраченное на диссоциацию трехатомных газов в продуктах горения, приходящееся на единицу топлива, кДж/м³.

Между отличительными признаками и техническим результатом существует причинно-следственная связь, заключающаяся в том, что оптимальная длина факела приводит к повышению производительности трубчатых вращающихся печей, снижению расхода топлива, снижению капитальных вложений и амортизационных отчислений на единицу продукции.

Из науки и техники заявителю и авторам неизвестна связь длины факела и характеристического параметра факела с расходом газообразного топлива и производительностью печи, что позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию "новизна".

При противоточном движении пламенного потока и материала в трубчатых вращающихся печах часть длины печи представляет собой зону нагрева материала и часть длины печи зону его охлаждения. При увеличении длины факела (длины зоны L₂) уменьшается максимальная температура пламенного потока и уменьшается длина зоны нагрева L₁, что приводит при прочих равных условиях к уменьшению производительности печи и уменьшению необходимого расхода топлива в единицу времени. При этом с увеличением длины факела сначала происходит уменьшение удельных затрат топлива, а затем их увеличение. Уменьшение производительности печи при увеличении длины факела приводит к возрастанию на единицу перерабатываемого материала капиталовложений и амортизационных отчислений. При уменьшении же длины факела повышается производительность печи за счет увеличения максимальной температуры пламенного потока и удлинения зоны нагрева, что приводит к снижению (на единицу перерабатываемого материала) капиталовложений и амортизационных отчислений, но повышаются удельные затраты топлива.

Длина факела и максимальная его температура при прочих равных условиях зависят от коэффициента избытка дутья α, условий перемешивания газа с воздухом, скоростей истечения газа и воздуха в горелочных устройствах, условий теплообмена и влажности газа, так как эти факторы предопределяют скорость выгорания топлива по длине факела, учет всех этих факторов с достаточным приближением может быть описан формулой
y α (1 e) (1) где y доля выгоревшего топлива в факеле на расстоянии κ от его начала;
Р коэффициент, характеризующий скорость выгорания топлива, 1/м;
e основание натуральных логарифмов.

Уравнение энергетического баланса для зоны горения факела имеет следующий вид:
ηВ(Q_н^Р + I_ф Q_дис)dy BV_гC_гdT( κ) 0, (2) где В_р- расход топлива, м³/ч;
Q_н теплотворность топлива, кДж/м³;
I_ф физическое тепло, вносимое топливом и дутьем, приходящееся на единицу топлива, кДж/м³;
Q_дис тепло диссоциации трехатомных газов, кДж/м³;
V_г объем продуктов горения, приходящийся на единицу топлива, м³/м³;
С_г теплоемкость продуктов горения, кДж/(м³ град);
Т(κ) текущая температура факела, град.

η доля полезного тепла топлива, обеспечивающая тепловые процессы в факеле,
η (3)
Q_пот- потери тепла через корпус на длине печи, равной длине факела, и через горячую головку печи, кДж/ч.

Совместное решение уравнений (1) и (2) позволяет установить взаимосвязь длины факела с параметрами, характеризующими топливо и условия его сжигания,
l_ф= ln Для заданных печи, топлива и избытка дутья величины Q_н^р, V_г, C_г, I_ф, η являются заданными, а изменяющимися величинами, при изменении длины факела являются α/р, Т_max и Q_дис f(T_max). От длины факела зависят также производительность печи G и удельный расхода топлива В'.

Взаимосвязь G f(l_ф), B' f (l_ф), Т_maxf(l_ф) и α /P f(l_ф) была получена экспериментально на печи размерами 3,0/3,8 х 51,3 м и моделированием процесса на моделирующей машине. Процесс анализировался при отоплении печи газообразным топливом с теплотворностью Q_н^р 33496 кДж/м³, теоретической температуре горения топлива T_теор 1908^оС, сжиганием топлива с коэффициентом избытка дутья α= 1,08 и работе печи с использованием тепла отходящих газов для нагрева загружаемого материала до температуры 200^оС. Полученные данные приведены в табл.1.

Выразив максимальную температуру пламенного потока через теоретическую температуру горения топлива Т_теор и длину факела l_ф, получим
Т_max (0,935 0,007 l_ф)T_теор. (5)
Как следует из табл. 1 технический результат будет достигнут только в пределах значений характеристического параметра факела α/P 2,770 4,172 (при длине факела l_ф 5,5 8 м), так как при значениях α/P меньше 2,770 резко возрастает удельный расход топлива, хотя производительность печи и несколько увеличивается, а при α/P > 4,172 резко падает производительность и увеличивается удельный расход топлива.

По мнению заявителя и авторов, сущность заявляемого технического решения не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники, так как из него не выявляется вышеуказанное влияние длины факела и скорости выгорания топлива на получаемый технический результат, а именно на производительность печи и удельный расход топлива, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию "изобретательский уровень".

Совокупность существенных признаков, характеризующих сущность изобретения, может быть многократно использована при сжигании газообразного топлива в печах кальцинации глинозема и в цементной промышленности, так как позволяет эффективно вести процесс сжигания топлива с получением указанного выше технического результата и подтверждается описанными ниже примерами конкретного выполнения способа, из чего следует вывод о соответствии изобретения критерию "промышленная применимость".

Пример осуществления способа. Способ был осуществлен на печи кальцинации глинозема Пикалевского объединения "Глинозем". Печь размерами 3х3,8х51,3 м стапливается природным газом состава (%): СН₄^ВЛ 92,72; С₂Н₆^ВЛ 0,113; С₃Н₈^ВЛ 0,226; СО₂^ВЛ 0,949; W^ВЛ 6,0. Теплотворность топлива Q_Н^Р 33496 кДж/м³, теоретическая температура горения топлива Т_г1908^оС. Образующиеся при сжигании топлива газы имеют состав (м³/м³): СО₂ 0,9456; Н₂О 1,9267; N₂ 7,953; О₂ 0,149, а с учетом диссоциации трехатомных газов: СО₂ 0,8936; Н₂О 1,869; N₂ 7,953; СО 0,052; Н₂ 0,0389; О₂ 0,203. Тепло диссоциации трехатомных газов Q_дис 1310 кДж/м³. Тепло, вносимое воздухом, поступающим из холодильника, равно I_ф 1036 кДж/м³. Q_потерьв зоне горения равно 2389951 кДж/ч.

Тепло отходящих газов, которые на выходе из печи имеют температуру 600^оС, используется для предварительного нагрева загрузки до температуры 200^оС. Производительность печи по глинозему составляет 13,1 т/ч, а расход топлива В 2150 м³/ч.

Распределение температуры по наружной поверхности корпуса приведено в табл.2.

Из табл.2 следует, что максимальная температура на корпусе печи находится на расстоянии 41,0 м от торца загрузки, т.е. на расстоянии 51,3-41,0 10,3 м от горячего обреза печи. Поэтому принимаем, что длина факела в печи равна l_ф 10,3 м, т.е. существенно отличается от оптимальных значений.

Отличается от оптимальных значений и характеристический параметр факела α/P. Максимальная температура факела
Т_max (0,935-0,007 10,3) 1908 1646^оС.

Доля полезного тепла, обеспечивающая процессы в факеле, по формуле (3), учитывая, что для сгораемого топлива составляет 0,888, будет
η 0,963
Произведение V_гC_г с учетом средних теплоемкостей в интервале температуры 0-1646^оС, равно
V_гC_г 0,8936 ˙ 2,39 + 1,869 ˙ 1,872 +
+7,953 1,458 + 0,052 ˙ 1,482 +
+0,0389 ˙ 1,381 + 0,203 ˙ 1,544
17,674 кДж/град. Теплом диссоциации трехатомных газов в этом случае можно пренебречь. Тогда параметр α/P, определяющий скорость выгорания топлива,
= 2,453 м что заметно отличается от оптимальных значений.

Для достижения оптимальных условий сжигания топлива горелочное устройство дополнили узлом предварительного смешения газа с воздухом и увеличили подсос воздуха за счет эжекционного эффекта, создаваемого узлом смешения. С помощью указанного узла смешения осуществляли регулирование длины факелы, при этом экспериментально была определена оптимальная длина факела, обеспечивающая оптимальное значение α/Р. При таком изменении условий сжигания увеличился и подсос окружающего воздуха за счет приближения максимальной температуры факела к горячей головке печи.

При чем было достигнуто укорочение факела и увеличение производительности печи по глинозему до 14,6 т/ч при расходе топлива 2150 м³/ч. Изменилась величина и распределение температуры по корпусу печи. Эти данные приведены в табл.3.

Из табл.3 видно, что максимальная температура на корпусе печи находится на расстоянии 45,5 м от торца загрузки, т.е. на расстоянии 51,3-45,5 5,8 м от горячего обреза печи, т.е. длина факела стала равной 5,8 м, что находится в области оптимума.

Максимальная температура пламенного потока составила
T_max 1706^оС.

Доля полезного тепла, обеспечивающая процессы в факеле, будет
η 0,978
Произведение V_гC_г с учетом средних теплоемкостей в интервале температур 20-1706^оС
V_гC_г 0,8936 ˙ 2,4042 + 1,869 ˙ 1,8841 +
+7,953 ˙ 1,4625 + 0,052 ˙ 1,4864 + 0,0389 x
x 1,3859 + 0,203 ˙ 1,5483
17,745 кДж/град.

Характеристический параметр факела
= 2,943 м Следовательно, длина факела и параметр α/Р оказались в пределах оптимума.

Использование предложенного способа позволит по сравнению с прототипом и известным уровнем техники экономить газообразное топливо при работе печи в году 300 сут
14,6·300·24 1772533 м³/год а годовую производительность печи по глинозему увеличить на
(14,6 13,1) 300 24 10800 т/год.

Использование: в глиноземной и цементной промышленности. Сущность изобретения: осуществляют подачу газа и дутья через горелку с одновременным регулированием длины факела, причем оптимальную длину факела задают по формуле. 3 табл.

СПОСОБ СЖИГАНИЯ ГАЗООБРАЗНОГО ТОПЛИВА В ПРОТИВОТОЧНЫХ ТРУБЧАТЫХ ВРАЩАЮЩИХСЯ ПЕЧАХ, включающий подачу газа и дутья через горелку с одновременным регулированием длины факела, отличающийся тем, что оптимальную длину l_ф факела задают по формуле


P коэффициент скорости выгорания топлива, м^-1;
α коэффициент избытка дутья;
V_г объем продуктов горения, приходящийся на единицу топлива, м³/м³;
C_г удельная теплоемкость продуктов горения, кДж/(м³ · град);
T_max максимальная температура факела, определяемая по формуле;
T_max (0,935 ^oC 0,007 l_ф) T_теор;
T_теор теоретическая температура горения топлива, ^oС;
h доля тепла топлива, обеспечивающая тепловые процессы в факеле;

B часовой расход топлива, м³/ч;
Qhн