Газовий пальник та спосіб його роботи

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано в низкотемпературных процессах термообработки с использованием в качестве топлива низкокалорийных газов, например, доменного. Известна горелка, содержащая цилиндрический корпус, по оси которого в выходном участке размещен стабилизатор горения в виде кольцеовой вставки с центральным каналом, paзмещенными вокpyг него соплами и кольцевой дроселлирующей полостью, выполненной в теле вставки между корпусом и соплами, сообщенной с полостью корпуса аксиальными, а с зоной горения - наклонными в сторону сопел отверстиями [1]. Стабилизация горения осуществляется струями горячей смеси, истекающей из наклонных выходных о тверстий в промежутках между струями из сопел вокруг центрального канала. Недостатком данной конструкции является низкая эффективность стабилизации факела при расходах газовоздушной смеси, отличающи хся от номинальных. Наиболее близким по технической сути является горелка, содержащая корпус, подключенный к источнику газовоздушной смеси с размещенным в его выходном участке стабилизатором горения в виде полого цилиндрического насадка с кольцевой вставкой, центральным сопловым каналом, размещенными вокруг него соплами, кольцевой дросселирующей полостью, имеющей входные и выходные отверстия и регулятор распределения газовоздушной смеси. Недостатком конструкции такой горелки является низкая эффективность стабилизации факела при сжигании низкокалорийных газов. Кроме того, конструкция усложнена наличием двух источников подачи газовоздушной смеси, и необходимостью перемещения кольцевой вставки, что при больших габаритах горелки трудоемко. Из того же источника [2] известен способ работы газовой горелки, включающий создание стабилизирующего пламени путем разделения потоков газовоздушной смеси. Для стабилизации горения газовоздушная смесь подается от постороннего источника. Попадая в зазор стабилизатора, газовоздушная смесь, пройдя дросселирующие полости, образует дежурное пламя стабилизатора, которое и поджигает основной поток газовоздушной смеси. Такой способ работы является неэффективным для стабилизации факела при сжигании низкокалорийных газов. В основу изобретения поставлена задача создания газовой горелки, в которой новым выполнением регулятора распределения газовоздушной смеси и цилиндрического насадка и снабжением соплового канала вставкой обеспечивается несколько контуров стабилизации основного факела и за счет этого повышение устойчивости горения факела низкокалорийных газов. В основу изобретения также поставлена задача усовершенствования способа работы газовой горелки, путем нового способа создания потока для стабилизирующего пламени, чем обеспечивается устойчивое зажигание газовоздушной смеси центрального пламени и за счет этого повышение устойчивости горения факела низкокалорийных газов. Поставленная задача решается тем, что а газовой горелке, содержащей корпус, подключенный к источнику газовоздушной смеси, с размещенным в его выходном участке стабилизатором горения в виде полого цилиндрического насадка с кольцевой вставкой, центральным сопловым каналом и размещенной вокруг него кольцевой дросселирующей полостью, имеющей входные и выходные отверстия и регулятор распределения газовоздушной смеси, согласно изобретению сопловой канал снабжен полой конусной вставкой с радиальными пластинами, установленными вдоль движения потока газовоздушной смеси, регулятор распределения газовоздушной смеси выполнен в виде подвижной кольцевой втулки, со стороны которой в сопловом канале выполнены радиальные отверстия, цилиндрический насадок выполнен с диаметром и длиной выступающего за кольцевую вставку участка равными соответственно 1,5-2,5 и 0,75-1,5 диаметра соплового канала, а конусная вставка имеет внешний диаметр 0,25-0,5 диаметра соплового канала. Поставленная задача решается также тем, что в способе работы газовой горелки, включающем создание стабилизирующего пламени путем разделения потоков газовоздушной смеси, согласно изобретению, для стабилизирующего пламени создают поток от общей газовоздушной смеси в количестве 5-20%. Конструкция горелки и способ ее работы связаны между собой единым изобретательским замыслом, так как именно заявленные C0wi ношения размеров диаметров и длины насадка, сопла и конусной вставки и форма их выполнения обеспечивают, согласно способу, повышение устойчивости горения факела. Газовоздушная смесь, поступая из корпуса в сопловой канал, имеет в точке сопряжения канала с корпусом максимальное статическое давление, под действием которого часть газовоздушной смеси попадает через радиальные отверстия в дросселирующую полость, откуда, теряя скорость и давление, истекает через стабилизирующие выходные отверстия в кольцевой вставке, образуя дежурное пламя, которое поджигает основной поток газовоздушной смеси. Устойчивость горения дежурного пламени обеспечивается относительно низкими его скоростями, а также рециркуляцией продуктов горения дежурных пламен, побуждаемой ограниченной способностью среды удовлетворить эжектирующему действию турбулентной среды в стесненном пространстве между выступающей частью цилиндрического насадка и основным факелом, истекающим из центрального соплового канала. Таким образом, создается внешний контур стабилизации основного факела. Полая в кольцевой вставке 3, образуя дежурное пламя, которое поджигает основной поток газовоздушной смеси, выходящей из центрального соплового канала 4. Создается внешний контур стабилизации основного факела. Истекая из центрального соплового канала 4, поток набегает на полую конусную вставк у 9, создавая за ней область разрежения, в которую рециркулирует часть раскаленных продуктов сгорания основного факела, создавая внутренний очаг воспламенения основного потока. Еще один контур стабилизации основного факела создается между основным факелом и стенками цилиндрического насадка 2, диаметр D* которого и длина выступающего за кольцевую вставку 3 участка 1 соответственно равны 1,5-2,5 и 0,75-1,5 диаметра D соплового канала 4, где образуются вихревые зоны рециркуляции продуктов сгорания. Радиальные пластины 10, установленные вдоль движения потока газовоздушной смеси, являются теплообменными ребрами и разделителями потока, чем обуславливается значительное уменьшение вероятности проскока пламени внутрь горелки. Способ работы газовой горелки реализуют, создавая поток газовоздушной смеси для стабилизирующего пламени в количестве 5-20% от общей газовоздушной смеси, поступающей в корпус 1 горелки при помощи конструкционных особенностей горелки, достигая задачи создания изобретения. Пример 1. Предлагаемый способ реализуется во вращающемся барабане для сушки сырьевых материалов при помощи заявляемого горелочного устройства. В корпус 1 газовой горелки поступает стехиометрическая смесь доменного газа и атмосферного воздуха. Расход доменного газа составляет 1500 м 3/ч, давление 5 кПа. На входе в центральное сопло 4 газовоздушная смесь разделяется на два потока; 15% газовоздушной смеси (420 м 3/ч ч) по радиальным отверстиям 7 сечением 4,8.10 м 2 поступает в дросселирующую полость 5 и истекает через стабилизирующие отверстия 8 сечением 1,4.10-2 м 2 со скоростью 8 м/с. Основной поток газовоздушной смеси проходит по кольцевому отверстию между сопловым каналом 4, диаметр которого D=175 мм и полой конусной вставкой 9 с внешним диаметром d=60 мм (d=0,35 D) и на выходе имеет скорость 33 м/с. Диаметр цилиндрического насадка 2 D*=350 мм (D*=2 D), длина выступающего за кольцевую вста вку 3 участка цилиндрического насадка I=175 мм (I=D). Основной факел, истекающий из сопла 4 и стабилизирующий, истекающий из выходных отверстий 8, имеет устойчивое горение без видимых изменений структуры факела. Длина основного факела составила 2,5 м. Производительность сушильного барабана 2,8х16 мм по выходящему материалу составила 32 т/ч, относительная влажность 1,8% (при относительной влажности входящего материала 10,2%), что соответствовало те хнологическому регламенту процесса, Пример 2. Расход газа, соотношение размеров то же, что в примере 1. В дросселирующую полость подается 25% газовоздушной смеси. Изменяется структура стабилизирующи х факелов, истекающих из отверстий 8: происходит повисание факелов на некотором расстоянии от отверстий 8 и неустойчивое положение их фронта. Пример 3. Расход газа, соотношение размеров по примеру 1. В дросселирующую полость подается 3% газовоздушной смеси. Стабилизирующие факела имеют длину 60 мм и незначительный объем по отношению к основному факелу. Основной факел начинает зависать над центральным соплом, фронт горения неустойчивый. Пример 4. Расходные и конструктивные параметры идентичны приведенным в примере 1, кроме длины выступающего за кольцевую вставку участка цилиндрического насадка, которая равна І=120 мм (I=0,7 D). Основной факел не соприкасается с кромкой цилиндрического насадка. Ухудшается устойчивость горения. Пример 5. Расход газа, соотношение размеров по примеру 1, кроме диаметра цилиндрического насадка D*=230 мм (D*=1,3 D). Наблюдается отрыв основного факела. Пример 6. Расход газа, соотношение размеров по примеру 1, кроме диаметра цилиндрического насадка D*=450 мм (D*=2,6 D). Основной факел не соприкасается с кромкой цилиндрического насадка. Фронт пламени основного факела неустойчив, появляется тенденция к повисанню его над сопловым каналом 4. Пример 7. Расход газа, соотношение размеров по примеру 1, кроме диаметра конусной вставки 9, равной d=40 мм (d=0,23 D), Устойчивость горения основного факела ухудшается. Пример 8. Расход газа, соотношение размеров по примеру 1, кроме диаметра конусной вставки 9, равной d=9 мм (d=0,52 D), Появляется повисание основного факела над сопловым каналом 4, конусная вставка создает внутренний контур стабилизации основного факела. Основной поток обтекая полую конусную вставку, создает за ней область разрежения, в которую рециркулирует часть раскаленных продуктов сгорания основного факела, создавая, таким образом, внутренний очаг воспламенения основного потока. Еще один контур стабилизации создается между основным факелом и стенками цилиндрического насадка, чему способствуе т соотношение между размерами насадка и соплового канала. Многоконтурная система стабилизации факела для низкокалорийных газов обеспечивает необходимый баланс теплоты, подводимой к корню основной струи и отводимой в процессе истечения. Радиальные пластины полой конусной вставки, установленные вдоль движения потока газовоздушной смеси, интенсивно охлаждаются последним и являются тепловыми ребрами. Охлаждение выходной части горелки и деление потока радиальными пластинами обуславливает значительное уменьшение вероятности проскока пламени внутрь горелки. В случае применения полой конусной вставки с внешним диаметром, меньшим 0,25 диаметра центрального соплового канала (D). Область разрежения и обратных потоков продуктов сгорания за телом плохообтекаемой формы сокращается, что снижает возможность зажигания основного факела. Если диаметр конусной вставки больше 0,5 D, значительно увеличивается скорость истечения смеси из основного сопла, что приводит к повисанию основного факела. При диаметре цилиндрического насадка, меньшим 1,5 или большим 2,5 D, а также при длине выступающего за кольцевую вставку участка цилиндрического насадка меньше 0,75 D не образуются зоны рециркуляционного движения раскаленных продуктов сгорания к корню основного факела и, вследствие этого, устойчивость горения основного факела снижается. Выступающий за пределы кольцевой вставки участок цилиндрического насадка на расстоянии более 1,5 D не оказывает существенного влияния на устойчивость горения основного факела и только приводит к увеличению габаритов горелки. Кроме того, соотношение 1,5-2,5 между диаметрами цилиндрического насадка и центрального сопла соответствует соотношению 0,75-1,5 между выступающим за пределы кольцевой вставки участком цилиндрического насадка и центральным соплом. Создание, согласно способу, работы горелки для стабилизирующего пламени потока от общей газовоздушной смеси в количестве < 5% ухудшает устойчивость горения основного факела, что визуально отмечается повисанием основного факела на некотором расстоянии от центрального сопла и колебанием фронта горения. Поступление газовоздушной смеси более 20% на сжигание в дежурных пламенах снижает устойчивость горения дежурных пламен - происходит неустойчивое повиса-ние факелов за выходными стабилизирующими отверстиями. Кроме того, это сокращает общую длину факела горелки за счет сокращения длины основного факела, что для тепловых агрегатов со значительными габаритами снижает эффективность тепловой обработки. На фиг. 1 изображена предлагаемая горелка; на фиг. 2 - вид А фиг. 1. Газовая горелка содержит подключаемый к источнику газовоздушной смеси корпус 1 с размещенным в его выходном участке стабилизатором горения в виде цилиндрического насадка 2 с кольцевой вставкой 3. центральным сопловым каналом 4 в виде сужающегося по ходу потока конуса, размещенной вокруг него кольцевой дросселирующей полостью 5, подвижной кольцевой втулкой 6, перекрывающей выполненные в сопловом канале 4 радиальные отверстия 7 для регулировки распределения газовоздушной смеси. В кольцевой вставке Д выполнены стабилизирующие выходные отверстия fl Сопловой канал 4 снабжен полой конусной вставкой 9 с радиальными пластинами 10, установленными вдоль движения потока газовоздушной смеси. Цилиндрический насадок 2 выполнен с диаметром D и длиной выступающего за кольцевую вставку участка 1 равными соответственно 1,5-2,5 и 0,75-1,5 диаметра D соплового канала 4, а конусная вставка 9 имеет внешний диаметр d, равный 0,25-0,5 диаметра D соплового канала 4. Горелка работает следующим образом. Газовоздушная смесь поступает из корпуса 1 в сопловой канал 4. Часть газовоздушной смеси под действием статического давления газовоздушной смеси в точке сопряжения соплового канала 4 с корпусом 1 попадает через радиальные отверстия 7 в дросселирующую полость 5, количество которой регулируется при помощи подвижной кольцевой втулки б, увеличивая или уменьшая сечение радиальных отверстий 7. В дросселирующей полости 5 поток, теряя свою скорость и давление, истекает через стабилизирующие выходные отверстия. Использование заявляемой газовой горелки и способа ее работы позволяет обеспечить стабильность работы горения на низкокалорийном газе, что позволяет повысить надежность и безопасность работы низкотемпературных агрегатов, используемых низкокалорийное топливо, качество тепловой обработки и производительность агрегата.