Спосіб тепловиробництва й теплообміну в тунельних газових котлах з подовими пальниками і пристрої для його здійснення

1. Спосіб тепловиробництва й теплообміну в тунельних газових котлах з вертикальними трубними пучками з пластинами між трубами, з подовими пальниками із примусовою подачею повітря, що включає підготовку пальної суміші, її спалювання у дифузорній зоні з формуванням струменя продуктів згоряння в топковому просторі з утворенням циркуляційних потоків, який відрізняється тим, що попередньо готують пальну суміш у стехіометричному співвідношенні компонентів, рівномірно розподіляють і спалюють її в пальнику, розподіляють тепловий потік в нижній вогневій зоні котла по периметру топкового простору у вигляді плоских струменів, що виходять із вихідних отворів пальника перпендикулярно до трубних пучків зі швидкістю, що перевищує швидкість проскакування полум'я, при цьому формують у топковому просторі два циркуляційних потоки продуктів згоряння, висхідну частину яких з максимальною температурою й швидкістю руху формують біля трубних пучків. 2. Спосіб за п.1, який відрізняється тим, що швидкість витікання горизонтальних струменів полум'я із пальника підтримують не меншою за 15 м/с. 3. Тунельний газовий котел, що містить передню, задню й середню секції, об'єднані трьома й більше основними водними або паровими колекторами, між якими розташовані Г-подібні або іншої форми 2 (19) 1 3 86985 4 камері змішування в шаховому порядку у два і більше рядів. 7. Пальник за п.6, який відрізняється тим, що клиноподібний газохід рівного статичного тиску виконаний зі співвідношенням площ поперечних перерізів у межах 0,15-0,5. 8. Пальник за п.6, який відрізняється тим, що має плоскі або криволінійні конфузори зі співвідношенням площ поперечних перерізів у межах 1,72,5 з установленими лопатками. 9. Пальник за п.6, який відрізняється тим, що по периметру топкового простору котла в зонах розташування теплосприймальних поверхонь котла кратер має криволінійний дифузор, обмежений горизонтальною тупиковою пластиною, що утво рює із його поздовжніми стінками прямокутну порожнину для виходу суміші, яка розділена ребрами жорсткості на декілька окремих прямокутних вихідних отворів. 10. Пальник за п.6, який відрізняється тим, що криволінійний дифузор з'єднаний з тунелямистабілізаторами Т- або Г-подібної форми, які утворені горизонтальними поверхнями подини й вогнетривких виробів, розташованими на зовнішній поверхні тупикової горизонтальної пластини кратера. 11. Пальник за п.6, який відрізняється тим, що має тупикову горизонтальну пластину кратера, внутрішня поверхня якої має поверхневі стабілізатори. Винахід ставиться до технології спалювання газу при виробництві вторинних енергоносіїв (гарячої води, пари), зокрема, до термодинаміки теплообмінних процесів тунельних газових котлів з подовими пальниками, установлюваних у котлах типу НИИСТу, МГ, ТВГ, ДКВР, ТС і ін. Відомий чавунний (сталевий) секційний газовий котел тунельного типу, що складає з передньої, задньої й середньої секцій, об'єднаних двома (трьома) основними водними (паровими) колекторами, два з яких розташовані на подині котла, а третій - у верхній частині (по осі котла) і ряд допоміжних (фронтальних або тильних) колекторів, з'єднаних, як правило, Г-подібними (вертикальними) трубними пучками, постачених пластинами [В А Двойнишнпков і ін. Конструкція й розрахунок котлів і котельних установок М., Машинобудування 1988p. cтор.87) По осі котла (секції), на подині, як правило, розташована газовий подовий пальник, що складається з газового колектора з газовиходними отворами горизонтально встановлена у вертикальному щелевидном тунелі - стабілізаторі У деяких конструкціях таких котлів паралельно встановлюються дві або три таких же по виконанню пальників. Повітря надходить у тунель через колосникову решітку або сталевий перфорований лист із піддувального простору за рахунок розрядження в топленні або подається дуттьовим вентилятором [Е.Б.Стелинер, З.Φ.Панюшева. Довідковий посібник для персоналу газифікованих котелень Видавництво «Надра», Л, 1990р., стор.76, 115, 201]. Продукти згоряння, що утворяться в результаті окислювання газу у вертикальному щілиноподібному тyнeлі-cтaбілізaтopі, надходять у топковий простір котла у вигляді плоскої однієї або декількох вертикальних струменів, паралельно трубним пучкам, формують два спадних циркуляційних потоки, у яких «охолоджені» продукти згоряння рухаються донизу протитечією біля трубних пучків, а «гарячі» - віддаляються з топкового простору через верхні газохідні канали, лише частково беруть участь у теплообміні При цьому внаслідок малих величин імпульсу сил, що мають місце при ежекції плоских струменів, що виходять, циркуляційні потоки рухаються з малою швидкістю, мінімізуючи сумарний коефіцієнт теплопередачі. Аналіз роботи таких котлів [А.И.Щур Переклад опалювальних котлів на газоподібне паливо Видавництво «Надра», Л, 1966р., стор.110…12, А.А.Ионии Газопостачання М., Стройиздат, 1989p., стор.340…342] показав, що повнота згоряння газу досягається при коефіцієнті надлишку повітря а=1,13…1…1,36 і більше, температура продуктів згоряння за котлом коливається в широких межах і становить 186 296°С, градієнт температур у топковому просторі котла, як по ширині, так і по довжині досягає 200…470°С, що підтверджує нерівномірність виробництва теплової енергії й існуючих умов розподілу теплових потоків по периметру розташування теплосприймаючих поверхонь внаслідок розходження швидкості горіння палива, обмеженої процесом змішування, і протіканням процесу горіння в дифузійній області, яка характеризується зниженою температурою факела в межах 1500…1650°С із часток променистої складової в об'ємі 18…20% [Н.И.Кокорев, А.С.Китаев, В.Г.Лисиенко, Б.И.Китаев. Пристрій для реформування природного газу перед спалюванням його в теплотехнічних агрегатах ВНИЭГАЗПРОМ, Μ., 1975р., стор.9] і, як правило, супроводжується частковим або повним термічним розпадом вихідних молекул природного газу на водень і вуглець із втратою теплової енергії на дисоціацію хімічних зв'язків в об’ємі 9% [Вальберг Г.С. Природний газ у цементній промисловості Μ., Госстройиздат, 1962р., стор.172], що підтверджується в практиці експлуатації котлів спостереженням фарбування факела частками сажистого вуглецю в жовтогарячий колір [М.И. Роговий. Теплотехнічне встаткування керамічних заводів. Стройиздат, Μ., 1983 , стр.49…51]. Таким чином, реальний термічний ККД подових пальників без попереднього змішування газу й повітря становить не більше 63…65%. 5 Найбільш близькими по сукупності ознак до пристрою, що заявляється є пальників пристрій [Патент України №62999 Ρ23Д14/00 від 19.10.2000р.), у якому, газовий колектор розташований аксіально в циліндричному кратері, постаченому вихідними отворами в його верхній частині, що сполучаються із системою організованої подачі повітря для утворення гомогенної горючої стехіометричної суміші. У газовому колекторі є два й більше ряди просвердлених газовихідних отворів, з яких газ у вигляді струменів минає протитечією у зону змішування з повітряним потоком, що надходить у кратер через поздовжні однобічні або двосторонні тангенціальні входи або отвори, розташовані в осьовій зоні. Проведені дослідно-промислові випробування показали, що підготовлена в такий спосіб горюча суміш не є гомогенною по довжині подової грілки, що пояснюється значною погрішністю існуючої методики розрахунку аеродинаміки її конструкції тупикових газорозподільних систем, а також відсутністю в розглянутих умовах технічних рішень регулювання процесом змішування. Підвищення ефективності тепловиробництва й теплообміну в розглянутих типах котлів і подовими грілками можливо шляхом інтенсифікації термодинамічного процесу за рахунок збільшення частки радіаційної теплоти в продуктах згоряння при повному попередньому змішуванні середовищ, що відповідають стехіометрії й рівномірному розподілу в процесі кінетичного горіння в зонах розташування трубних пучків з виключенням термічного розпаду природного газу, що залежить від комплексних кінетичних (фізико-хімічних) і аеродинамічних факторів процесу горіння [Теплотехніка. Під загальною редакцією И.Η. Сушки на. Металургія. М, 1973р., стор.232]. При кінетичному горінні з уведенням у полум’я добре підготовленої гомогенної стехіометричної суміші реакція окислювання відбувається настільки швидко, що термічний розпад практично відсутній. Факел у цьому виконанні виходить прозорим, мало випромінюючим, зі значним збільшенням його температури до 2200…2230°С із часткою променистої складової до 55...65% [К.Η. Макаров і ін.. Вплив сажі на теплопередачу випромінюванням від факела. Газова промисловість, №4, 1968], що багаторазово збільшує коефіцієнт тепловіддачі випромінюванням до 900ккал/м2 ч.°С [Тепловий розрахунок котельних агрегатів. Нормативний метод. Енергія. М., 1973р., стр.261] і, таким чином, значно знижує температуру продуктів згоряння на виході з котла [М.Б. Равич. Спрощений метод теплотехнічного розрахунку. АН СРСР,М.,1958р.] Так, наприклад, проведені досліднопромислові випробування роботи подового пальника з полем попереднім змішуванням в умовах котла НИИСТу - 5 показали зниження температури продуктів згоряння за котлом з 240°С до 80…85°С, з одночасним скороченням питомої витрати природного газу на 27…32 відсотка. При цьому в продуктах згоряння були відсутні окис вуглецю й мали місце сліди окислів азоту. Наявність обмежень експлуатації подових пальників із примусовою подачею повітря з повним 86985 6 попереднім змішуванням коефіцієнтом робочого регулювання [ДЕРЖСТАНДАРТ 21 204 - 83, стор.2] долається широким спектром можливостей кінетичного горіння, що може здійснюється як у ламінарному, так і в турбулентному режимах, у діапазонах швидкостей витікання горючої суміші від 1…6м/сек до 10…30м/сек [М.И. Роговий. Теплотехнічне встаткування керамічних заводів. М., Стойиздат, 1983р., стор.49], однак при усталеній роботі пальників необхідна наявність штучних стабілізаторів - тунелів (форкамер) з вогнетривкого матеріалу. Поставлена мета досягається тим, що відповідно до способу підвищення ефективності тепловиробництва й теплообміну в тунельних котлах з подовими пальниками із примусовою подачею повітря, з повним попереднім змішуванням газу й повітря, інтенсифікація термодинамічного процесу за рахунок збільшення частки променистої складової в продуктах згоряння, що включає підготовку гомогенної стехіометричної горючої суміші, її рівномірний розподіл і в топковому просторі котла по периметру розташування теплосприймаючих поверхонь і спалювання в тунелях - стабілізаторах з формуванням плоских високотемпературних струменів, спрямованих перпендикулярно до трубних пучків з утворенням у топковому просторі 2-х циркуляційних газових потоків, що сходять, що мають більше високу температуру й підвищену швидкість руху, збільшують сумарний коефіцієнт теплопередачі. (Для підвищення коефіцієнта теплопередачі випромінюванням і виключення контакту трубні пучки в зоні вогневого пояса, по периметру; захищені шаром вогнетривкого матеріалу, а для підвищення коефіцієнта конвекції верхня частина трубних пучків має герметичні пластини, установлені по їхній осі, що виключає неорганізоване перетікання продуктів згоряння в периферійні збірні вертикальні канали. Для виключення неорганізованого підсмоктування зовнішнього повітря в топковий простір котла, що бере участь у процесі горіння, збірний газохід постачений вимірювальним колектором і дросель - клапаном. Подовий пальник, що формує гомогенну стехіометричну суміш, має автономний дуттьовий вентиляторні з колекторним і запоно-регулюючим блоком, газовий колектор з вимірювальним блоком, виведеним за межі топкового простору котла, виконаний у вигляді 2-х камерної конструкції, верхня частина якої є газовою, а нижня - камерою змішування із установленими в її поперечному перерізі у два й більше ряди, у шаховому порядку газорозподільними трубчастими елементами змінного перерізу з газовихідними отворами, рівномірно розподіленими по висоті камери змішування. Конструктивні розміри і їхнє розташування дозволяють вирівнювати епюру швидкості повітряного потоку, що надходить із вихлопного патрубка дуттьового вентилятора. Газовий колектор герметично з'єднаний із клиноподібним, тунелем рівного статичного тиску, рівномірний розподіли в якому досягається, якщо відношення кінцевої площі до початкового лежить у межах 0,15...0,5. Верхня частина якого постачена кратером, що включає 7 плоский конфузор зі співвідношенням площ поперечних перерізів в 1,7…2,5 для рівномірного розподілу газовоздушной суміші, оснащений у нижній частині напрямними лопатками, а у верхній частині герметично з'єднаний із плоским криволінійним двостороннім або однобічним дифузором Т- або Γподібної форми, обмеженим горизонтальної, перпендикулярно осі, тупиковою пластиною, що утворить із поздовжніми стінками криволінійного дифузора поздовжні смесевиходние зі швидкістю витікання не менш 15м/сік, розділені прямокутними або циліндричними стрижнями, що переходять в 2-х сторонній або однобічний тунельстабілізатор, сформований зі спеціальних вогнетривких виробів, розташованих на горизонтальній пластині картера й посередині котла. Розрахунковий гідравлічний діаметр вихідних отворів виключає втягування полум’я усередину кратера, його перегрів і наступне руйнування. Для виключення перегріву Τ або Γ-подібного або іншої форми кратера передбачається створення ефективної системи охолодження його стінок по всій його довжині за рахунок керування швидкісним режимом руху горючої суміші з турбулізацією примежового шару в зонах підвищеного нагрівання його стінок променистим теплом при використанні властивостей струменів, що падають «на стінку» [В.В. Батурин. Основи промислової вентиляції. Видавництво ВЦСПС. Профиздат. М., 1965р. стор.164] за рахунок трансформації кінетичної енергії в потенційну й потенційної в кінетичну [Д.В. Будрин, Μ.А. Глинков, M.B Канторів М.А. Кузьмін, Л.А. Тесль, И.Д. Синикин, С.Г. Тройб. Металургійні печі, частина 1. Госнаучтехиздат по чорній і кольоровій металургії. М.,1963р. стор.250]. На Фіг.1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 представлені технічні рішення пропонованого способу підвищенні ефективності роботи газових котлів з подовими пальниковими пристроями. На Фіг.1 представлений поздовжній розріз секційного газового водогрійного котла, на Фіг.2 - поперечний розріз, на Фіг.3 - фронтальний вид, на Фіг.4 - план топкової камери, на Фіг.5 - розріз газового колектора, на Фіг.6 - план розташування трубчастих елементів, на Фіг.7 - варіант трубчастого газорозподільного елемента, на Фіг.8 - розташування кратера в подині котла, на Фіг.9 - елемент поздовжнього розрізу кратера. Секційний газовий котел містить, як правило, два нижніх водних колектори, установлених паралельно або Π-подібного колектора, розташованого на подині котла, 1,верхній водний колектор 2, з'єднані між собою трубними пучками Γ-подібної форми 3, між трубними пучками 3 і обмуровуванням 4 утворені вертикальні 5 і горизонтальні 6 збірні канали, об'єднані загальним збірним каналом 7. По осі котла подині 8 розташований подовий пальник. Комплексний подовий пальник містить повітряний вимірювальний колектор 10, що запірно регулює дросель - клапан 11, газохід рівного статичного тиск/24. вентилятор з електродвигуном 12, газовий колектор 13 і кратер 14. Газовий колектор 13 містить газову камеру 15, постачену газопідводящим патрубком 16, що постачає газову систему трубопроводів 17, газовим вимірювальним колек 86985 8 тором 18, що запірнорегулює арматури 19, і камеру змішування 20 із установленими в її поперечному перерізі газорозподільними трубчастими елементами 21 з газовихідними отворами 22, що сполучаються з газовою камерою 15 і герметично закріплені в розділовій перегородці 23. Прямокутний або іншої форми газохід зі змінним перетином і рівним статичним тиском 24. з'єднаний із кратером 14, що включає плоский конічний або криволінійний конфузор 25, постачений у нижній частині напрямними лопатками 26. Верхня частина плоского конфузора 25 герметично з'єднана із криволінійним дифузором 27, що формує з горизонтальною тупиковою пластиною 28, прямокутні або іншої форма вихідні отвори 29, розділені на окремі малі отвори 30 прямокутними або циліндричними ребрами жорсткості 31. Внутрішня поверхня горизонтальної тупикової пластини 28 постачена турбулізаторами. Над горизонтальною тупиковою пластиною 28 сформований зі спеціальних вогнетривких виробів 2-сторонній тунель - стабілізатор 33, що утворить разом з подиною 34 форкамеру 35 для горіння горючої суміші. Кратер 14, представлений газоходом 24, плоским конфузором 25, розмішений у вертикальному подовому щілинному тунелі 36, обмеженому стінками подини 34. Трубні пучки Г-подібної форми 3 у нижній частині й водні колектора 1 у зоні виходу високотемпературних струменів продуктів згоряння з форкамери 35 захищені вогнестійкою футерівкою 37, а у верхній частині, над футеровкой 37 герметичними вертикальними пластинами - пластинами 38, установленими між трубами 3. Комплексний подовий пальник кріпиться на знімній фронтальній пластині 39, що має оглядове вікно 40, патрубок для пальника й штуцера для контрольних елементів систем автоматизації, що забезпечують безпечну експлуатацію котла. Секційний газовий котел працює таким чином. Природний газ через газопостачальну систему котельні, що запірно-регулює арматуру 19, газовий вимірювальний колектор 18, що постачає газ в систему трубопроводів 17 і газопідвідний патрубок 16, надходить у газову камеру 15 і через вихідні отвори 22 газорозподільних трубчастих елементів 21 у камеру змішування 20. Одночасно, через повітряний вимірювальний колектор 10 вентилятором 12 повітря в стехіометричному співвідношенні, регульованим дросельклапаном 11, подається в камеру змішування 20, де готується горюча суміш і далі через газохід 24, плоский криволінійний конфузор 25, криволінійний дифузор 27, обмежений горизонтальною тупиковою пластиною 28, у вигляді плоских горизонтальних струменів через вихідні отвори 30 надходять у форкамеру 35 і згоряють, формуючи високотемпературній факел, що відповідає кінетичній зоні горіння. Розпалювання гомогенної стехіометричної суміші природного газу й повітря здійснюється пальником через штуцер, розташований на фронтальній плиті 39. Утворені в результаті окислювання високотемпературні продукти горіння у вигляді плоских 9 горизонтальних струменів, що виходять із форкамери 35, обмивають вогнестійку футеровку 37 і при подальшій зміні траєкторії рухаються у верхню зону топкового простору, формуючи 2 циркуляційних потоки, передаючи основну частку теплової енергії поверхням трубних пучків 3, з наступним видаленням із зони теплообміну через вертикальні збірні канали 5, а створена силами ежекції плоских і горизонтальних струменів циркуляційна маса продуктів горіння через центральну зону топкового простору повертаються донизу для їхнього живлення як приєднана маса, передаючи теплову енергію трубним пучкам 3, у зоні їхнього примикання до верхнього водного колектора 2. Розпечена поверхня вогнестійкої футеровки 37, зовнішня поверхня стінки подини 34 і вогнетривкі вироби тунелю - стабілізатора 33 випромінюють теплову енергію, що поглинається теплообмінними поверхнями котла. Заявлена сукупність істотних ознак забезпечує: 1. Підвищення теплообміну внаслідок зміни руху продуктів згоряння в топковому просторі, під 86985 10 вищення їхньої температури за рахунок кінетичного горіння гомогенної стехіометричної горючої суміші зі зміною траєкторії руху високотемпературних теплових потоків у бік теплообмінних поверхонь (трубних пучків). 2. Збільшення в 3,6 рази частки променистої складової як у процесі спалювання природного газу, так і в результаті створення радіаційного пояса по периметру котла у вигляді випромінюючої поверхні подини горизонтального тунелю - стабілізатора. 3. Підвищення експлуатаційних характеристик подових газових пальників за рахунок створення високоефективного процесу тепловиробництва й теплообміну в топковому просторі котла, крім виключення перегріву кратера і його температурної деформації. 4. Підвищення коефіцієнта корисної дії на 20...30% за рахунок роботи подових пальників у режимі кінетичного горіння й виключення термічного розпаду вихідних молекул природного газу. 11 86985 12 13 Комп’ютерна верстка Т. Чепелева 86985 Підписне 14 Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601