книги из ГПНТБ / Грачев В.А. Современные методы плавки чугуна

Исследования показали, что теплотворная способность природ­ ного таза также оказывает влияние на относительную длину закры­ того факела. Так, в пределах Qp „=7900—8670 ккал/нм3 теплотвор- - ная способность природного газа изменяла относительную длину

закрытого факела на величину 0,0109 V^QP h, где Q P H взята для нормальных условий. Результирующая длина/ф и /в определяется комплексным влиянием всех факторов (Т, а, сос, Qp „)-

Оптимальные конструкции горелочных систем для газовых вагранок

На основании закономерностей развития горящего факела уста­ навливались зависимостирасстбяния между соплами от кривизны их расположения при радиальном размещении и от угла их на­ клона к горизонтальной плоскости, определялись высоты располо­ жения сопел горелок при размещении их в шахматном порядке. Изучалось взаимодействие факелов и определялись параметры ка­ меры перегрева газовой вагранки при многофакельном сжигании газовоздушной смеси, а также параметры факелов и размеры ка­ меры сжигания при вертикальном расположении сопел горелки с круглыми и кольцевыми отверстиями. Исследовалась возможность интенсификации излучательной способности продуктов сгорания при многофакельном сжигании природного газа.

Расчетные данные проверялись экспериментально на модели­ рующих установках и горелочных стендах. Для этого в процессе проведения исследований сопла горелочных систем располагали в один, два ряда, в шахматном порядке, под различными углами на­ клона в горизонтальных и вертикальных плоскостях. Газовоздуш­ ная смесь одинакового оптимального состава сжигалась в огнеупор­ ных туннелях или непосредственно в камере сжигания. Камеры сжи­ гания выполнялись прямоугольной и круглой формы в горизон-

100

тальном сечении. Расположение зон факелов и их размеры опреде­ лялись с помощью фотосъемок, визуально, по степени накала и интенсивности окисления металлических прутков и пластин, имев­ ших масштабные насечки и вводимых в факелы и камеры сжигания на различных уровнях, высотах и длинах, а также по изменению температуры, замеряемой с помощью термопар в различных частях камеры сжигания, и длины пути догорания газа.

На основании экспериментальных и расчетных данных строи­ лись масштабные^ схемы взаимодействия факелов при различном расположении сопел горелок в камере сжигания, устанавливались закономерности газодинамических процессов в закрытых теплоизо­ лированных объемах.

Определение основных параметров многосопловой горелочной системы и камеры сжигания. Установлено, что при выходе газовоз­ душной смеси через ряд последовательно расположенных сопел многофакельное горение наблюдается в том случае, если сопла ус­ тановлены на расстоянии, обеспечивающем свободное развитие каждого отдельного факела. Сопла могут располагаться по пери­ метру камеры перегрева металла газовой вагранки радиально и па­ раллельно.

Минимальное расстояние между соплами L c m n -можно опреде­ лить исходя из того, что многофакельное горение стабилизируется при условии наличия пространства для свободного развития фа­ келов на длине холодного ядра 1В. Для радиального расположе­ ния сопел получена формула:

перегрева газовой вагранки в один или два ряда. При этом следует добиваться максимального приближения факелов к перегреваемо­ му металлу,

101

Высоту расположения сопел в первом ряду ( ^ с , ) можно опре­ делить исходя из того, что факел не должен соприкасаться своей вихревой областью с поверхностью жидкого металла в бассейне. Расстояние между крайней точкой вихревой области и поверх­ ностью жидкого металла в бассейне должно быть не меньше — -d0 .

3

Расчеты показывают, что наибольшая настильность факела, оп­ ределяемая в данном случае проекцией факела на горизонтальную плоскость, достигается при наклоне сопел горелок к горизонталь­ ной плоскости 15°.

В газовых вагранках камеру сжигания (камеру перегрева ме­ талла) конструктивно просто выполнять прямоугольной или круг­ лой формы в горизонтальном сечении. Процесс сжигания газа за­ висит от расположения сопел горелок на стенках камеры пере­ грева.

Экспериментами на многосопловых газогорелочных устройствах и газовых вагранках установлено, что при встречном расположении сопел горелок, когда оси противоположных сопел совпадают, газ сгорает в факелах в пределах камеры сжигания, если противопо­

При встречном расположении сопел горелок стабильное горение

102

наблюдается в случае выхода газовоздушной смеси из сопел с близ­ кими по величине скоростями. Неравномерное распределение газо­

Процесс сгорания газовоздушной смеси ускоряется и происхо­ дит в меньшем объеме при интенсификации вихреобразования. Так, при пересечении встречных факелов потоками газа, обладающими большей кинетической энергией, а следовательно, и большими ско­ ростями, горение происходит в завихрениях высокоскоростных по­ токов, захватывающих газ встречных факелов.

Значительное уменьшение размеров камеры сжигания достига­ ется при пересечении встречных боковых факелов одним торцевым

по сравнению со встречными боковыми факелами позволяет сокра­ тить расстояние между стенками камеры сжигания примерно в 2 ра­ за, в -результате чего в компактном теплоизолированном объеме при той же теплотворной способности газа и прочих равных ус­ ловиях в связи с увеличением теплового напряжения повышается температура.

В газовой вагранке рационально факельное сжигание газа с максимальной концентрацией теплоты над перегреваемым метал­ лом.

Горение газовоздушной смеси должно быть стабильным в те­ чение всей плавки при оптимальном соотношении расходов газа и воздуха.

Интенсификация излучательной способности продуктов сгорания при многофакельном сжигании природного газа. При высокотемпе­ ратурном режиме работы печи теплота передается металлу преи­ мущественно излучением.

Установлено, что излучение факела" превышает излучение про­ дуктов сгорания, имеющих ту же температуру. Большая излучательная способность пламени объясняется наличием в нем частиц сажистого углерода, образующихся в результате разложения угле­ водородов, входящих в состав топлива.

Согласно закону Стефана и Больцмана количество излучаемой теплоты прямо пропорционально степени черноты излучателя и чет­ вертой степени его абсолютной температуры. Поэтому, чтобы ин­ тенсифицировать теплоотдачу лучеиспусканием, необходимо повы­ сить температуру излучающего тела и увеличить степень черноты системы.

При многофакельном сжигании природного газа с коэффициен­ том расхода воздуха а=0,98—1,00 в оптимальных режимных усло­ виях (Re>5500) достигаются высокие температуры и тепловые на-

103

Рис. 30. Горелочная система газовой вагранки с подсвечиванием продуктов сгорания в камере пе­ регрева металла.

пряжения в камере сжигания. Однако, в связи с тем что газовоз­

активную роль в передаче теплоты металлу излучением играет огне­ упорная футеровка камеры перегрева газовой вагранки, причем чем выше огнеупорность кладки, тем до большей температуры она мо­ жет быть нагрета газами и тем больше теплоты излучением может передать футеровка металлу.

Но поскольку огнеупорность футеровочных материалов для ваг­ ранок ограничивается 1650—1800°С, указанный путь интенсифика­ ции теплопередачи от газов металлу через излучатель-футеровку имеет температурные пределы.

104

Экспериментами установлено, что процессы плавления и пере­ грева металла в значительной степени интенсифицируются с одно­ временным повышением термического коэффициента полезного действия вагранки при наличии в продуктах сгорания сажистого уг­ лерода. Это достигается за счет подачи в высокотемпературные области печи природного газа в количестве 5—10% от его расхода на сжигание.

Для ввода углеводородов на подсвечивание продуктов сгора­ ния в камере перегрева газовых вагранок выше горелочных тунне­ лей / (рис. 30) расположены сопла 2 с отверстиями диаметром 2— 3 мм. На сопла 2 надеты огнеупорные трубки 3 с внутренним диа­ метром 40 мм. Во время работы вагранки часть природного газа, подаваемая через отдельный газопровод с расходомером, заходит в коллектор 4 и распределяется по соплам 2. Из сопел 2 природный газ выходит в виде струй, скорость которых превышает скорость

от внутренних поверхностей трубок 3 и футеровки камеры перегре­ ва, а затем внедряется в высокотемпературные продукты сгорания, где в завихрениях потоков происходит практически полное разло­ жение углеводородов с образованием сажистого углерода и водо­ рода. Степень черноты продуктов сгорания повышается и дости­ гает значений 0,30—0,35. Над факелами образуется малопрозрач­ ный светящийся слой продуктов сгорания, в результате чего ин­ тенсифицируется процесс теплопередачи излучением от газов ме­ таллу.

Короткофакельное сжигание природного газа с подсвечиванием продуктов сгорания. Опыты показали, что многосопловая горелочная оистема позволяет сжигать газовоздушную смесь одинакового состава, создавать в камере перегрева газовых вагранок высокую температуру и более равномерно распределять газовые и тепловые потоки. Недостатком этой системы является то, что при резком уменьшении расхода газовоздушной смеси, например при повыше­ нии сопротивления движению газов, в коллектор и смеситель может проскочить пламя, т. е. возникнуть «хлопок». Кроме того, большое количество сопел и туннелей усложняет ремонт футеровки камеры перегрева газовых вагранок.

Поэтому дальнейшие исследования сводились к совершенствова­ нию горелочной системы с целью создания простых по конструкции короткофакельных горелок с предварительным смешением газа с воздухом перед соплом и совмещением процесса подачи газа на сжигание и подсвечивание факела. Эксперименты проводились на моделях и натурных горелках.

Газовая горелка с изогнутыми щелевыми отверстиями сопла по­ казана на рис. 31.

105

Горелка имеет смеситель /, в торцевую часть которого входит распределитель таза 2. С помощью фланца 3 смеситель жестко сое­ диняется со втулкой 4, в которую со стороны камеры сжигания вставляется хвостовик 5 с кольцевой проточкой со стороны смеси­ теля и конусной поверхностью со стороны сопла 6. Литое чугун­ ное сопло 6 имеет посадочную конусную часть, которой оно наде­ вается на хвостовик 5, и продольный сужающийся канал 7 в виде незамкнутого кольца (или сочленения нескольких незамкнутых ко­ лец). В центре сопла—продольный сквозной цилиндрический ка­ нал 8. На боковой поверхности распределителя газа 2 выполнено большое количество отверстий малого диаметра для подачи угле­ водородов в смеситель 1, а на торцевой части — отверстия для по­ дачи углеводородов в факел. В посадочную резьбовую часть рас­ пределителя газа 2 вставлена переходная трубка 9, на передний конец которой надевается сменное сопло 10, входящее'в продоль­ ный сквозной канал 8.

Газовая горелка работает следующим образом. В смеситель / по отдельным трубопроводам подается воздух и природный газ. Об­ разуемая в результате - интенсивного перемешивания газовоздуш-

107

пая смесь поступает из смесителя в изогнутый канал 7 сопла, где поток газовоздушной смеси стабилизируется. Выходя из сопла, га­ зовоздушная смесь воспламеняется и сгорает в виде фигурного пламени.

Часть углеводородов из распределителя газов 2 по калиброван­

нал 8. Углеводороды отбирают тепло от корпуса сопла 6 и, выходя из канала 8, попадают в высокотемпературную вихревую область факела, где разлагаются на сажистый углерод и водород. Продук­ ты разложения углеводородов увеличивают светимость факела, а следовательно, и его излучательную способность. Наличие сажисто­ го углерода и водорода в факеле снижает окислительную способ­ ность продуктов сгорания.

Установлено, что изгиб щелевого отверстия сопла по дуге, яв­ ляющейся частью окружности, способствует уменьшению длины факела по сравнению с прямолинейным отверстием, причем более благоприятные условия для уменьшения длины факела возникают, когда кромки щелевого отверстия сопла являются полуокружностя­

(рис. 32). В этом случае образуется энергетически выгодный изо­ гнутый поток, поперечные сечения которого за пределами сопла го­ релки геометрически подобны сечению отверстия сопла на выходе. Благодаря наличию свободного пространства по периметру щеле­ вого отверстия сопла при движении газовоздушной смеси возника­ ют вихри, определяющие размеры факела и стабилизирующие про­ цесс горения газовоздушной смеси.

Важной характеристикой интенсификации процесса горения и концентрации теплоты является тепловое напряжение объема за­ крытого факела горелки.

Для изогнутых щелевых отверстий сопел было определено теп­ ловое напряжение Нъ ф по формуле:

факелов для изогнутых щелевых отверстий сопел показали, что горелки с изогнутыми щелевыми отверстиями сопел при одинаковой скорости выхода газовоздушной смеси, равных площадях отверстий сопел и прочих одинаковых условиях позволяют сжигать природ-

108

30 раз большим, чем горелки с круглым отверстием сопла.

Для определения основных параметров горелочной системы га­ зовых вагранок разработана номограмма (рис. 33). Номограмма

109