Курс лекций для специальности 140104 «Промышленная теплоэнергетика» москва 2011
| Вид материала | Курс лекций |
- Курс лекций для специальности 140104 «Промышленная теплоэнергетика» москва 2011, 1206.2kb.
- Курс лекций для студентов специальности 140104 «Промышленная теплоэнергетика» москва, 1244.1kb.
- Курс лекций для студентов специальности 140104 «Промышленная теплоэнергетика» москва, 877kb.
- Курс лекций для студентов специальности 140104 «Промышленная теплоэнергетика», 1246.47kb.
- Рабочая программа для студентов Vкурса по специальности 140104 промышленная теплоэнергетика, 69.12kb.
- Рабочая программа для студентов IV курса специальности 100700 промышленная теплоэнергетика, 243.31kb.
- Рабочая программа для студентов Vкурса специальности 290800. Промышленная теплоэнергетика, 63.46kb.
- Нисаев Игорь Петрович, д т. н., профессор учебно-методический комплекс, 356.38kb.
- Нисаев Игорь Петрович, д т. н., профессор учебно-методический комплекс, 329.37kb.
- Учебно-методический комплекс по дисциплине «экономика» Для студентов специальностей:, 1055.87kb.
4.3. Топливосжигающие устройства
В печах, отапливаемых жидким топливом, используются форсунки низкого, среднего и высокого давлений. В форсунках низкого давления в качестве распылителя применяется обычно вентиляторный воздух под давлением 3–8 кПа. Количество подаваемого через форсунки воздуха составляет 70–100 % от необходимого для горения. Форсунки высокого давления используются при большой производительности и высокотемпературном нагреве воздуха.
Принципиальные схемы форсунок низкого и высокого давлений показаны на рис. 4.13.
На рис. 4.14 показана конструкция форсунок низкого давления «Стальпроект». Оптимальное давление мазута перед форсункой 101–151,5 кПа, минимально допустимое 50,5 кПа. Распылительно-вентиляторный воздух подогревается до температуры 573 К. Большее нагревание недопустимо, т. к. может произойти разложение мазута и засорение сопла. За счет перемещения мазутного сопла расход мазута может изменяться на 40–50 % без ухудшения распыления. Форсунка дает длинный (2–2,5 м) узкий факел, причем для достижения полноты сгорания коэффициент расхода воздуха a = 1,2. Основные размеры и производительность горелок «Стальпроект» приведены в табл. 4.1.
Рис. 4.13. Форсунки низкого (а)
и высокого (б) давления:
1 – мазутное сопло; 2 – корпус форсунки; 3 – пробка для слива мазута;
4 – смеситель; 5 – завихритель; 6 – регулировочный вентиль;
7 – пробка для сброса воздуха
| Таблица 4.1 Основные размеры и производительность горелок «Стальпроект»
| ||||||||||||||||||
Рис. 4.14. Форсунка низкого давления «Стальпроект»:
1 – шток; 2 – мазутное сопло; 3 – выходное сопло; 4 – упорный винт
В форсунках высокого давления в качестве распылителя топлива применяются компрессорный воздух или пар. Конструктивно форсунки высокого давления при распылении паром или сжатым воздухом практически не различаются. Форсунки высокого давления имеют ограниченное применение в технологических печах из-за длинного узкого факела. Из множества конструкций форсунок высокого давления в печах технологического назначения может быть рекомендована короткопламенная форсунка ФК-1 (рис. 4.15). В короткопламенных форсунках распыляющая среда (пар или сжатый воздух) подается тангенциально под углом 75–90 к боковой поверхности струи топлива, за счет чего достигается высокая степень распыления мазута.
Рис. 4.15. Короткопламенная форсунка высокого давления ФК-1:
1 – литой корпус; 2 – мазутное сопло
При необходимости сжигания топлива в слое материала хорошо зарекомендовала себя пневматическая форсунка высокого давления (рис. 4.16). Мазут поступает в центральную трубу под давлением 98 кПа. Для его распыления подают сжатый воздух (0,2–0,3 м3/кг) под давлением 0,3 МПа. Конструкция наконечника форсунки обеспечивает хорошее распыление топлива и острый факел, проникающий в слой материала.
Высокая эффективность смешения и стабильность горения получаются при сжигании мазута в противоструйном газификаторе (рис. 4.17). Ввод вентиляторного воздуха осуществляется противоточной струей с большой скоростью, что увеличивает степень распыления мазута и исключает возможность его попадания в воздуховод. Максимальная нагрузка камеры 0,6–0,7 кг/(с · м3).
В печах, отапливаемых газообразным топливом, в основном применяются инжекционные двух- и трехпроводные горелки.
Рис. 4.16. Пневматическая форсунка высокого давления:
1 – центральная труба для подачи мазута; 2 – кольцевой канал сжатого воздуха; 3 – патрубок вентиляторного воздуха; 4 – кольцевая насадка; 5 – выходные мазутные отверстия; I – головка форсунки
Инжекционные горелки обеспечивают сжигание газа за счет подсоса воздуха. Преимуществом таких горелок является их способность работать без вентиляторного дутья даже при наличии небольшого давления в камерах сгорания. Инжекционные горелки поддерживают с достаточной точностью постоянство соотношения газ–воздух при изменении их производительности, что значительно упрощает автоматическое и ручное регулирование процесса горения. Инжекционная горелка среднего давления ИГК-1-6 (рис. 4.18) устанавливается в печах, работающих под разрежением или при небольшом давлении. Подсос воздуха на горение за счет инжектирующего действия газовой струи обеспечивает полное смешение газа с воздухом. Максимальная тепловая мощность 7,74 кВт, номинальный расход газа 9,6 м3/ч, номинальное давление газа 66,5 кПа, коэффициент расхода воздуха 1,02, длина факела 116 мм, диапазон рабочего регулирования по расходу газа 3,4–9,6 м3/ч, по давлению газа 8,5–66,5 кПа.
Рис. 4.17. Противоструйный газификатор:
1 – форсунка высокого давления; 2 – люк для разжигания мазута
Рис. 4.18. Инжекционная горелка
среднего давления ИГК-1-6:
1 – стабилизатор; 2 – смеситель; 3 – сопло
В двухступенчатой инжекционной горелке «Союзтеплострой» (рис. 4.19) первичный воздух засасывается в первое сопло из атмосферы. Остальное необходимое для горения количество воздуха засасывается через второе сопло. Оба сечения каналов для подсоса воздуха регулируются.
При необходимости регулирования газовой среды в печном объеме широкое применение нашли двухпроводные горелки с широким диапазоном регулирования расхода первичного воздуха.
В двухпроводной горелке ГНП предусматривается центральная подача газа в закрученный поток воздуха (рис. 4.20, б) Разработан типоразмерный ряд горелок с номинальным расходом газа от 8,7 до 135,8 м3/ч.
Горелки рассчитаны для работы с двумя типами наконечников сопел: для короткофакельного и длиннопламенного сжигания топлива. В настоящее время горелки сняты с серийного производства, однако равноценной замены горелок такой производительности нет.
На рис. 4.20, а и в показаны конструкции двухпроводных горелок: многосопловой и Института огнеупоров, работающих по тому же принципу, что и горелки ГНП.
Одним из недостатков инжекционных и двухпроводных горелок является невозможность регулирования длины факела в процессе эксплуатации без изменения соотношения газ–воздух.
Разработан ряд горелок с регулируемой длиной, а иногда и с регулируемой излучательной способностью факела.
На рис. 4.21, а показана вихревая реверсивная горелка ВРГ, разработанная «СредНИИГаз». Горелка состоит из насадки, корпуса и узла управления. В горелке аксиально установлен лопаточный завихритель, лопатки которого одновременно поворачиваются на шарнирных ножках в нужную сторону. Горелка обладает широким диапазоном, плавностью и легкостью регулирования по ширине и длине факела. Горелка работает при давлении газа 19,6–294 кПа.
Горелка ГРЦ с регулируемыми длиной и углом раскрытия факела за счет изменения скорости истечения и степени завихрения газовой струи показана на рис. 4.21, б.
Рис. 4.19. Двухступенчатая инжекционная горелка:
1 – газовое сопло; 2 – регулируемые каналы для подсоса воздуха
Рис. 4.20. Двухпроводные горелки:
а) многоструйная; б) ГНП; в) Института огнеупоров
Рис. 4.21. Горелки с регулируемой длиной факела:
а) вихревая реверсивная горелка ВРГ; б) горелка ГРЦ;
1 – завихритель; 2 – шарнирные ножки лопаток; 3 – кольца;
4 – вторые ножки завихрителя; 5 – шпоночный выступ кольца;
6 – дроссель; 7 – тяга дросселя и завихрителя; 8 – регулировочный винт; 9 – дроссель с завихрителем; 10 – сопло; 11 – тяга; 12 – корпус
Технические характеристики регулируемых горелок ГРЦ и ГДГ приведены ниже:
| | ГРЦ | ГДГ |
| Давление газа перед горелкой, кПа Условная скорость истечения газа, м/с Гидравлическое сопротивление горелки, кПа Мощность факела, кН · м/с | 125–65 370–220 50 93 | 185–85 530–370 10 190 |
На рис. 4.22 представлена горелка с выходным сечением в форме кольцевого сопла Лаваля, что позволяет увеличить плотность и свечение факела. Характерной особенностью данной горелки является простота конструкции при высоких технико-экономических показателях.
Рис. 4.22. Газовая горелка с периферийным кольцевым соплом Лаваля:
1, 2 – трубы; 3, 4 – центральный и периферийные каналы; 5, 6 – автономные подводы газа; 7 – кольцевое сопло Лаваля; 8 – коническое сопло; 9 – завихритель; 10–12 – задвижки (краны) для регулирования расхода газа
В условиях сносящего потока и сгорания большей части газового топлива в рабочем пространстве печи регулировку длины факела обеспечивают трехпроводные горелки.
В трехпроводных горелках с регулируемой длиной факела (рис. 4.23) воздух подается одним патрубком, а перераспределение его осуществляется с помощью регулировочного конуса. Воздух в горелку подают по центральной трубе и наружному кольцевому пространству. Регулировочный конус позволяет перекрывать центральную трубу и, таким образом, менять соотношение воздуха, подаваемого по центральному и периферийному каналам. При работе на природном газе с
=34 75235 589 кДж/м3 горелка устойчиво работает при расходе газа 3–26,6 м3/ч и давлении газа перед горелкой 100–2500 Па. Расход воздуха 34–255 м3/ч, давление 70–2500 Па. Коэффициент рабочего регулирования 8,73. Тепловая мощность 0,259 · 106 Вт. Коэффициент расхода воздуха a = 0,71,2.
Рис. 4.23. Трехпроводные горелки:
а) с кольцевой подачей газа; б) с центральной подачей газа
В горелках с центральной подачей газа и периферийной подачей воздуха изменение длины факела осуществляется за счет полного или частичного закрытия внутреннего кольца регулировочным конусом.
В печах скоростного нагрева используются плоскопламенные горелки ГПП с косвенным радиационным нагревом (рис. 4.24). При использовании плоскопламенных горелок топливо сгорает на внутренней поверхности кладки рабочего пространства печи, раскаленная футеровка интенсивно излучает тепло на нагреваемые изделия.
| Таблица 4.2 Технические характеристики плоскопламенных горелок
|
Преимущества косвенного радиационного нагрева: интенсификация теплообмена, высокая равномерность нагрева, сокращение удельных расходов топлива.
Технические характеристики плоскопламенных горелок приведены в табл. 4.2.
Рис. 4.24. Плоскопламенная горелка ГПП:
1 – корпус; 2 – тангенциальный воздушный патрубок; 3 – газовое сопло; 4 – горелочный туннель; 5 – крепежная плита; 6 – направляющий винт
Универсальным топливосжигающим устройством для печей с температурой обжига не более 1000 0С является теплогенератор ВОСТИО (рис. 4.25), работающий как на газообразном, так и на жидком топливе. Теплогенератор может работать как под разрежением (перед дымососом), так и под давлением (после вентилятора). При работе на газообразном топливе применяют многосопловую газовую горелку, при работе на жидком топливе горелку заменяют форсункой. Температура теплоносителя изменяется в пределах 50–1000 0С. Тепловое напряжение топочного объема при сжигании природного газа достигает 6,4 · 106 Вт/м3. Хорошее перемешивание воздуха и газа, полное сжигание топлива позволяют рекомендовать теплогенератор в экологически чистых технологиях.
При использовании мазута в качестве резервного топлива применяют газомазутные горелки (рис. 4.26). Технические характеристики газомазутных горелок приведены в табл. 4.3.
Основным условием надежной и эффективной работы форсунок и горелок является правильный выбор их по производительности и теплотехническим характеристикам.
Рис. 4.25. Теплогенератор ВОСТИО:
1, 2 – воздуховоды; 3 – распределительная решетка; 4 – топка;
5 – регулирующая заслонка; 6 – газовая горелка; 7 – футерованная труба; 8 – стабилизирующая решетка; 9 – смесительная камера;
10 – регулирующая заслонка; 11 – запальное отверстие
Рис. 4.26. Газомазутная горелка с принудительной подачей воздуха:
1 – патрубок подачи вторичного воздуха;
2 – патрубок подачи первичного воздуха; 3 – мазутная форсунка;
4 – патрубок подачи газа
| Таблица 4.3 Технические характеристики газомазутных горелок
| |||||||||||||||
5. Особенности тепловой работы печей, основы их расчета
Тесная взаимная связь процессов тепловыделения, движения топочных газов и теплообмена – особенность всех видов печей.
Основной задачей печей является передача тепла технологическим материалам, однако при этом часть тепла поглощается ограждающими конструкциями, уносится с отходящими газами, теряется через технологические отверстия и т. п. Таким образом, теплотехнические расчеты печей должны выполняться комплексно (охватывать все теплотехнические процессы). Теплотехнические расчеты печей основаны на теории теплопроводности и закономерностях внешнего теплообмена.
Более 70 % энергии в печи поступает за счет сжигания жидкого и газообразного топлива. Состав и теплотехнические характеристики природных газов различных месторождений приведены в табл. 5.1.
В табл. 5.2 приведены некоторые теплотехнические характеристики жидких топлив.
Теплота сгорания топлива приблизительно может быть рассчитана по формулам:
– для жидкого топлива
кДж/кг; 
кДж/кг,где С, Н, О и S – содержание углерода, водорода, кислорода и серы в топливе в долях для первой и в % для второй формул,
, где W – влажность топлива, %;
– для газообразного топлива
, кДж/моль,где qСО,
– теплота реакции сгорания горючих газов, кДж/м3; СО, Н2, СН4 – содержание горючих газов, %.
Некоторые характеристики топлив и их составляющих приведены в табл. 5.3.
Подсчет необходимого количества (кг/кг) воздуха для горения топлива удобно вести по объему.
| Таблица 5.1 Некоторые теплотехнические характеристики жидкого топлива
|
| Таблица 5.3 Характеристика топлив и их составляющих
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Для природного газа:
Для твердого и жидкого топлива:
.Приближенно теоретически необходимое количество (кг/кг) сухого воздуха для сжигания топлива можно определить по формулам:
– природный газ:
(при Qн < 41 868 кДж/м3 – ΔL = 0,02; при Qн > 41 868 кДж/м3 – ΔL = 0);
– коксовый газ:
;– доменный газ:
;– жидкое топливо (
< 29 308 кДж/кг):
, ΔL = 0,06. Во избежание неполноты сгорания действительное количество воздуха, подаваемого в печь, всегда несколько выше:
, где α – коэффициент расхода воздуха (для газообразного и жидкого топлив α = 1,051,25).
Общее количество (м3) продуктов сгорания может быть найдено по приближенным формулам:
– природный газ:
, (при Qн< 34 541 кДж/м3 – ΔV = 1,0; при Qн> 34 541 кДж/м3 –
);– коксовый газ:
(при Qн > 16 747 кДж/м3 – а = + 0,014; при Qн< 16 747 кДж/м3 – а = –0,024);
– доменный газ:
;– жидкое топливо (
> 29 308 кДж/кг):
.Для мазута Wгр = 2 %, для прочих Wгр = Wр.
Количество воздуха, необходимого для сжигания, и объем дымовых газов для топлив с различной теплотой сгорания приведены в табл. 5.4.
При горении топлива возможен химический недожог, являющийся следствием недостатка воздуха, неудовлетворительного смешения топлива и воздуха или явления диссоциации. Если две первые причины, зависящие от рода топлива, конструкции топливосжигающих устройств, условий сжигания и технической культуры обслуживающего персонала, могут быть устранены, то явления диссоциации, вызывающие распад продуктов неполного сгорания, приводят к образованию продуктов неполного сгорания: СО, Н2 и обязательно свободного кислорода. Количественной характеристикой явлений диссоциации при сжигании топлива является коэффициент, характеризующий степень распада продуктов полного сгорания – коэффициент диссоциации. Он равен отношению количества распавшегося вещества к первональному. Зависимость степеней диссоциации
и 
от температуры и парциального давления определяют из графиков.| Таблица 5.4 Количество воздуха и объем дымовых газов для топлив с различной теплотой сгорания
|
Состав продуктов сгорания с учетом диссоциации можно определить по формуле (пример для СО), %:
м3. Аналогично определяют содержание и других компонентов.