СИСТЕМА ОТОПЛЕНИЯ ВОЗДУХОНАГРЕВАТЕЛЕЙ Российский патент 1997 года по МПК F23D14/00 

Изобретение относится к черной металлургии, точнее к горелочным устройствам воздухонагревателей доменных печей.

Известна конструкция для нагрева доменного дутья (патент США N 3216709, кл. 269-19 от 21.09.61), имеющая две и более горелок, расположенных одна над другой. При этом одна из горелок должна быть с предварительным перемешиванием газа и воздуха, что обеспечивает поперечное распределение факела в камере сгорания и тем самым устраняет пульсации давления продуктов сгорания.

Однако, известная конструкция устройства не устраняет пульсации давления, так как организация предварительного смещения газа и воздуха в одной из горелок, при имеющих место на практике колебаниях скорости выхода газовоздушной смеси и наличии постоянного источника воспламенения, функции которого выполняет нагретая футеровка камеры сгорания, способствует колебаниям тепловыделения в штуцере и камере горелки, и следовательно, является источником пульсаций давления продуктов сгорания (Шкляр Ф.Р. Малкин В.М. Каштанова С.П. и др. Доменные воздухонагреватели, М. Металлургия 1982, с. 41, 47). Кроме этого, при одновременно работающих горелках пульсации, создаваемые каждой горелкой, могут суммироваться и при определенных амплитудно-фазовых соотношениях еще более усиливаться.

Целью изобретения является устранение вышеперечисленных недостатков и повышение тепловой производительности воздухонагревателей.

Цель достигается тем, что в предлагаемой системе отопления воздухонагревателей, включающей две и более горелок, расположенных одна над другой, в камере горения снабженных смесительными патрубками, подачи газа и воздуха, воздухопроводом, вентилятором, смесительной камерой и камерой горения, согласно предложенному, расстояние между центрами соседних горелок выбирают из соотношения: , а в патрубке подачи газа и (или) воздуха каждой горелки установлена формирующая кассета с продольными сквозными каналами и гидравлическим диаметром 0,05-0,10 гидравлического диаметра патрубка, выходное сечение которой совпадает с выходным сечением этого патрубка, входное сечение отстоит от выходного на расстоянии 0,5-1,0 гидравлического диаметра патрубка, где l расстояние между соседними горелками, м,
ω физическая скорость движения среды в камере горения, м/с,
f собственная частота 1-ой гармоники колебаний столба газов в камере горения, Гц,
n целое число длин волны, 0, 1, 2. n,
к величина, изменяющаяся в пределах 0,15-0,85.

Сущность изобретения состоит в следующем. Установка формирующей кассеты в выходном сечении газа и/или воздуха с предлагаемыми соотношениями ее размеров обеспечивает уменьшение пульсаций при горении за счет формирования потока с турбулентными вихрями меньших размеров, по сравнению с исходными крупномасштабными вихрями, размеры которых соизмеримы с диаметрами патрубков подачи газа и воздуха, в которых они образуются и являются причиной появления пульсаций давления продуктов сгорания при горении. При этом выполнение кассет длиной менее 0,5, а диаметра ячейки (d_г) менее 0,05 гидравлического диаметра (D_г) cоответствующего патрубка нецелесообразно, т.к. не обеспечивает устойчивого формирования струй на выходе из кассет и приводит к излишним энергетическим затратам на местные сопротивления. Выполнение кассет длиной более 1,0 D_г и диаметра ячейки d_г, более 0,1 D_г также нецелесообразно, т.к. пульсации при этом будут более сильные, чем при указанных выше соотношениях.

Совпадение выходного сечения кассеты с выходным сечением патрубка подачи газа и/или воздуха обеспечивает протекание процессов смешения по развитой поверхности устойчивых, сформированных кассетой отдельных струек, состоящих из мелких вихрей, и приводит к образованию на этой поверхности слоя смеси, соответствующей стехиометрическому соотношению газа с воздухом. Эта смесь воспламеняется и выгорает на длине струйки, достаточной для образования устойчивого слоя продуктов сгорания, который препятствует смешению оставшейся основной части газа и воздуха в смесительном патрубке, что способствует переносу воспламенения и горения в камеру горения, имеющую по сравнению со смесительным патрубком значительно большее сечение и объем, и уменьшению пульсаций при горении.

Расположение горелок на определенном расстоянии друг от друга позволяет сдвинуть по фазе частоты остаточных пульсаций, создаваемых каждой горелкой в камере горения, и тем самым уменьшить амплитуды колебаний давления при сжигании газов. Для пояснения этого принималось, что пульсации давления являются результатом периодически изменяющегося поступления в камеру сгорания и последующего воспламенения определенных порций газовоздушной смеси.

На фиг. 1 изображена расчетная схема взаимодействия процессов горения соседних горелок: 1 условно показано сечение, в котором установлена первая горелка; 2 сечение установки второй горелки; 3 условное волнообразное изменение возмущений, вносимых порциями газовоздушной смеси от первой горелки при периодическом сгорании газовоздушной смеси во времени, l длина волны возмущений, м; l расстояние между центрами соседних горелок, м.

Принимая величину амплитуды возмущения, пропорциональной количеству газовоздушной смеси, подаваемой через горелку, и обозначив общий расход смеси единицей, расход смеси через вторую горелку а, а через первую соответственно 1 а, запишем закон изменения колебаний, вносимых второй горелкой в виде:
A₂= asin (ωt), (1)
где A₂ текущее значение амплитуды возмущений, вносимых второй горелкой, м;
a максимальное значение амплитуды (коэффициент пропорциональности между расходом смеси и амплитудой принят равным 1);
ω круговая частота, рад/с;
t время, с.

Учитывая то, что колебания складываются на уровне второй горелки по ходу газов, а также то, что колебания, вносимые первой горелкой, запаздывают на время t относительно колебаний, вносимых второй горелкой, изменения колебаний от горелки 1 на уровне горелки 2 запишутся в виде:
A₁= (1-a)sinω(t-τ) (2)
Сложение амплитуд пульсаций дает следующую зависимость:

По определению:
где l искомое расстояние между горелками, м;
l длина волны колебаний, м.

С учетом (4) выражение (3) запишется в виде:

На фиг.2 кривые 1, 2, 3 изображают зависимость R от l/λ, рассчитанные по формуле (5) при следующих соотношениях расходов (А): 0,1; 0,25; 0,5; 0,75; 0,9. Как видно из фиг.2, для всех значений (а) наиболее резкое уменьшение амплитуды R наблюдается в интервале от 0,15 до 0,85 и в общем виде в интервале l (0,15-0,85) l. С учетом периодичности косинусоидальной функции l (0,15-0,85) l + λn (6), где n 0, 1, 2, 3, 4, n соответствует целому числу длин волн.

Длина волны в зависимости (6) определяется из акустических свойств камеры горения и физической скорости движения газов в камере горения по выражению:

где физическая скорость газов в камере сгорания, м;
f частота колебаний столба газов в камере горения, Гц.

Установка формирующих кассет в начальном участке воздухопровода после диффузора вентилятора уменьшает турбулентные пульсации скорости воздуха, возникающие из-за несовершенства диффузора вентилятора, и при выходе с колеса вентилятора, имеющего конечное число лопаток, способствует уменьшению масштаба турбулентности колебаний потока воздуха и связанных с ним пульсаций при горении.

На фиг. 3 изображена конструкция системы отопления. Система отопления включает в себя камеру горения 1, смесительный патрубок 2, газовые горелки 3, патрубки 4 подачи газа, патрубки 5 подачи воздуха горения, формирующие кассеты 6, вентилятор 7, диффузор 8 вентилятора, формирующую кассету 9, дроссельные запорно-регулирующие клапаны 10, отделительные клапаны 11 газовой горелки, l - расстояние между центрами соседних горелок.

Система отопления работает следующим образом.

Воздух от вентилятора 7 через диффузор 8 поступает в кассету 9, где формируется в отдельные струи при ослаблении турбулентных пульсаций скорости, и далее через клапан 10 и патрубок 5 подачи воздуха попадает в кассеты 6, где формируется в отдельные струи, создающие оптимальные условия для смешения и горения части воздуха и газа, поступающего через патрубки 4, в смесительном патрубке 2. Основная же часть газа воспламеняется и горит в камере горения 1. Расстояние l между горелками выбирается в соответствии с зависимостью, приведенной в формуле изобретения. Ниже производится пример расчета этого расстояния при следующих исходных данных, соответствующих рабочим режимам работы горелок воздухонагревателей.

1. Общий расход воздуха на 1 аппарат 150000 м³/ч
в том числе: на 1-ую горелку 75000 м³/ч
на 2-ую горелку 75000 м³/ч
2. Общий расход смеси доменного и природного газа на 1 аппарат 150000 м³/ч
в том числе: на 1-ую горелку 75000 м³/ч
на 2-ую горелку 75000 м³/ч
3. Температура продуктов сгорания в камере горения 1350^oC
4. Состав дымовых газов: CO₂ 17,43%
N₂ 70,91%
H₂O 9,83%
O₂ 1,83%
5. Высота камеры сгорания (по чертежам) 32 м
6. Диаметр камеры сгорания 3,52 м
Расчет
1. Скорость звука С при температуре в камере горения:

где по таблицам с учетом состава и температуры дымовых газов
C_p/C_v 1,37
газовая постоянная R 8310 Дж/(кмоль•град);
молярная масса газа по его составу μ 29,85 кмоль;
абсолютная температура Т 1350 + 273 1623^oC.

Подставив значения величин, получим скорость звука:

2. Частота колебаний столба газов в камере сгорания для трубы, закрытой с одной стороны:

где L высота камеры сгорания задана, L 32 м;
D диаметр камеры сгорания задана, D 3,52 м;
Подставив значения, находим:

3. Площадь живого сечения камеры сгорания:
F = πd²/4 = 0,785 (3,52)²=9,73 м²
4. Физическая скорость дымовых газов в камере сгорания от 1-ой по ходу движения горелки:

5. Стандартная длина волны возмущений в камере горения

6. По формуле находим ряд интервалов допустимых мест установки второй горелки относительно первой, в зависимости от К и(или) n:
Так при n 0
l_к=0,15 4,29•0,15 0,64 м;
l_к=0,85 4,29•0,85 3,64 м,
расстояние между центрами первой и второй горелок необходимо выбирать в интервале l 0,64 3,65 м;
при n 1;
l_к=0,15 4,29•1,15 4,93 м,
l_к=0,85 4,29•1,85 7,94 м,
расстояние между центрами первой и второй горелок необходимо выбирать в интервале l 4,93 7,94 м.

Расчет расстояния l между центрами 2-ой и 3-ей, 3-ей и 4-ой и т.д. горелками ведется аналогичным образом.

В соответствии с фиг.2 установка горелок на расстоянии l между ними позволит значительно снизить амплитуду пульсаций.

Использование изобретения позволяет значительно уменьшить пульсации давления при сжигании особенно больших количеств газов и за счет этого реализовать следующие преимущества:
уменьшатся вредные выбросы в атмосферу при увеличении эффективности сжигания топлива;
уменьшатся расходы на сооружение и ремонт воздухонагревателей за счет сокращения количества аппаратов в блоке с четырех до двух-трех;
повысится температура горячего дутья при постоянной температуре купола;
повысится эффективность использования топлива и снижение его расхода не менее чем на 5%

Использование: в воздухонагревателях доменных печей и других горелочных устройствах. Сущность изобретения: система отопления включает две и более горелок, расположенных одна над другой в камере горения, снабженных смесительными патрубками, патрубками подачи газа и воздуха, воздухопроводом, вентилятором и смесительную камеру. Расстояние между центрами соседних горелок выбирают из определенного соотношения, а в патрубке подачи газа и/или воздуха каждой горелки установлена формирующая кассета с продольными сквозными каналами и гидравлическим диаметром 0,005-0,10 гидравлического диаметра патрубка, выходное сечение которой совпадает с выходным сечением этого патрубка, выходное сечение отстоит от выходного на расстоянии 0,5-1,0 гидравлического диаметра патрубка. 3 ил.

Система отопления воздухонагревателей, включающая две и более горелок, расположенных одна над другой в камере горения, снабженных смесительными патрубками, патрубками подачи газа и воздуха, воздухопровод, вентилятор и смесительную камеру, отличающаяся тем, что расстояние l между центрами соседних горелок выбирают из соотношения

а в патрубке подачи газа и/или воздуха каждой горелки установлена формирующая кассета с продольными сквозными каналами и гидравлическим диаметром 0,05 0,10 гидравлического диаметра патрубка, выходное сечение которой совпадает с выходным сечением этого патрубка, входное сечение отстоит от выходного на расстоянии 0,5 1,0 гидравлического диаметра патрубка,
где ω физическая скорость движения среды в камере горения, м/с;
f собственная частота 1-й гармоники колебаний столба газов в камере горения;
k величина, изменяющаяся в пределах 0,15 0,85;
n число длин волны.