ПРИМЕНЕНИЕ  ПЛОСКОФАКЕЛЬНЫХ  ГОРЕЛОК  ДЛЯ  СЖИГАНИЯ  ПРИРОДНОГО  ГАЗА

Юрьев  Евгений  Игоревич

соиск.  учен.  степ.  канд.  наук,  Южно-Российский  государственный  политехнический  университет  (НПИ)  имени  М.И.  Платова,  РФ,  г.  Новочеркасск

E-mail: 

USE  OF  FLAT-FLAME  BURNERS  FOR  NATURAL  GAS  COMBUSTION

Yuryev  Evgeniy

applicant  for  a  degree   of  candidate  of  sciences,  Platov  South-Russian  State  Polytechnic  University  (NPI),  Russia,  Novocherkassk

АННОТАЦИЯ

Представлены  особенности  работы  и  рекомендации  по  проектированию  энергетических  плоскофакельных  горелок  для  сжигания  природного  газа.  Изложенные  материалы  позволяют  снизить  концентрацию  оксидов  азота,  расширить  диапазон  рабочих  нагрузок,  повысить  надежность  работы.

ABSTRACT

Features  of  functioning  and  recommendations  for  the  design  of  power  boiler  burners  for  natural  gas  combustion.  The  data  presented  allow  to  reduce  the  concentration  of  nitrogen  oxides,  to  extend  the  range  of  workloads,  increased  reliability.

Ключевые  слова:  горелка;  сжигание;  природный  газ;  проектирование.

Keywords:  burner;  combustion;  natural  gas;  design.

При  переводе  пылеугольного  котла  БКЗ-320-140  на  сжигание  природного  газа,  в  дополнение  к  пылеугольным  горелкам  на  боковые  стены  топки  были  установлены  вихревые  газовые  горелки,  что  является  нерациональным.  При  эксплуатации  вихревых  горелок  отмечен  короткий  межремонтный  период,  связанный  с  обгоранием  элементов  горелки,  подверженных  прямому  излучению  из  топки.  Вихревые  горелки  имеют  сравнительно  высокую  массу  и  стоимость  изготовления,  высокое  аэродинамическое  сопротивление.  Для  выявления  решений,  позволяющих  повысить  характеристики  топочного  процесса,  в  рамках  диссертационной  работы  выполнены  численные  исследования  для  различных  вариантов  реконструкции  вихревой  горелки,  различных  вариантов  распределения  воздуха  по  каналам  прямоточно-вихревой  горелки,  более  пятнадцати  вариантов  различных  сочетаний  конструктивных  и  режимных  параметров  плоскофакельной  горелки  [3].

По  результатам  исследований  можно  сделать  вывод,  что  при  удачном  конструктивном  оформлении  плоскофакельная  горелка  позволяет  обеспечить  сжигание  природного  газа  с  более  высокими  показателями  в  сравнении  с  вихревыми  и  прямоточно-вихревыми  горелками. 

Для  плоскофакельных  горелок  характерна  следующая  аэродинамика  (одна  горелка,  топочное  пространство  вдоль  оси  горелки  со  всех  сторон  ограничено  стенками):  факел  развивается  веерообразно  вдоль  оси  горелки,  сверху  и  снизу  плоскости  факела  образуется  четыре  вихря  обратных  токов  топочных  газов,  оси  которых  расположены  параллельно  оси  горелки  и  по  одному  вихрю  по  сторонам  горелки  около  фронтовой  стены  с  осями  вращения  перпендикулярными  плоскости  факела.  По  степени  турбулизации  потока  ПФГ  близки  к  вихревым  горелкам.

Преимущества  плоскофакельных  горелок  по  сравнению  с  вихревыми  и  прямоточно-вихревыми  горелками:  низкая  стоимость  изготовления  и  металлоемкость;  для  установки  требуются  минимальные  затраты  на  реконструкцию  боковых  экранов;  возможность  регулирования  тепловосприятия  топки  за  счет  перераспределения  расходов  воздуха,  подаваемых  в  нижние  и  верхние  каналы  горелки,  что  приводит  к  соответствующему  смещению  максимума  температур  по  высоте  топки;  низкий  уровень  аэродинамического  сопротивления,  что  позволяет  при  той  же  мощности  горелочного  устройства  снизить  затраты  на  модернизацию  котла  и  его  дальнейшую  эксплуатацию  (затраты  на  прокачку  воздуха).

В  результате  эскизной  проработки  различных  вариантов  конструкции,  с  учетом  рекомендаций  по  проектированию  плоскофакельных  горелок  [1,  2],  особенностей  сжигания  природного  газа  и  имеющегося  топочного  пространства,  автором  спроектировано  четыре  варианта  исполнения  ПФГ,  конструктивные  схемы  которых  представлены  на  рисунке  1.

Рисунок  1.  Варианты  конструктивного  исполнения  плоскофакельной  горелки:  1  —  внутренний  канал;  2  —  периферийный  канал;  3  —  центральный  канал;  4  —  центральная  газовая  труба;  5  —  периферийные  газовые  коллектора  и  газовая  труба  соответственно;  6  —  труба  для  запального  устройства;  7  —  труба  для  датчика  контроля  факела;  8  —  газовые  сопла

Пример  визуализации  результатов  численного  моделирования  топочного  процесса  на  [3,  рис.  3]  —  представлены  поля  распределения  температур  в  горизонтальных  сечениях  топки.  Количественные  параметры  топочного  процесса  изложены  в  [3,  табл.  3].

Обширный  материал,  полученный  в  результате  более  чем  полутора  десятков  численных  экспериментов  с  различным  конструктивным  оформлением  горелки  и  режимными  параметрами,  как  следствие  с  различными  параметрами  на  выходном  сечении  горелки  и  картиной  топочных  процессов,  позволил  в  дополнение  к  имеющимся  материалам  сформулировать  рекомендации  по  проектированию  ПФГ  для  сжигания  газа:

1.  Горелка  должна  содержать  два  потока  по  воздуху  в  каждом  наклонном  канале  (внутренний  и  периферийный),  что  позволит  значительно  расширить  диапазон  рабочих  нагрузок,  сделать  регулирование  наклона  факела  более  гибким.  Также  следует  предусмотреть  подачу  воздуха  через  центральный  канал.

2.  В  зависимости  от  требуемых  характеристик  факела,  условий  сжигания  и  видов  сжигаемого  топлива  выбирается  угол  подачи  воздушных  потоков.  В  случае  сжигания  исключительно  природного  газа  и  достаточной  глубины  топочного  пространства  угол  межу  осями  воздушных  каналов  следует  принимать  40÷50°.  Чем  меньше  угол,  тем  длиннее  факел  с  меньшей  шириной,  тем  дальше  располагается  зона  максимальной  температуры.

3.  Следует  предусмотреть  возможность  подавать  газ  через  центральный  и  периферийный  канал.  В  номинальном  режиме  газ  следует  подавать  через  периферийный  канал.  При  растопке  и  снижении  нагрузки  ниже  60  %  газ  следует  подавать  через  центральный  канал  при  пониженном  расходе  воздуха  в  периферийных  каналах,  для  поддержания  скорости  воздуха  во  внутреннем  канале  по  условию  стабильного  горения.

4.  Предпочтительна  концентрированная  подача  газа,  например,  в  виде  узкой  полосы  на  всю  ширину  воздушного  канала.

5.  Благоприятного  распределения  газа  в  выходном  сечении  можно  добиться  за  счет  конструкции  выходного  сопла  в  виде  щели.  В  исследовательской  работе  использовалась  простая  в  изготовлении  труба  со  сплющенным  концом.

6.  Сопротивление  по  воздуху  ПФГ  в  значительной  степени  зависит  от  оформления  газовой  части.  Установка  газовых  коллекторов  с  отверстиями  в  воздушные  каналы  значительно  увеличивает  сопротивление.  При  этом  улучшенное  перемешивание  топлива  с  воздухом  приводит  к  интенсификации  горения  и  увеличению  выхода  оксидов  азота.

7.  Организация  «треугольника  воспламенения»  (зона  разрежения,  образующаяся  между  торцом  плоскофакельной  горелки  и  потоками  воздуха  внутренних  каналов)  при  подаче  газового  топлива  через  центральную  газовую  трубу  приведет  к  быстрому  обгоранию  центральной  части  горелки.  При  сжигании  газа  следует  обеспечить  подачу  воздуха  через  центральный  канал  для  уменьшения  разряжения  в  «треугольнике  воспламенения»,  что  приведет  к  снижению  расхода  эжектируемых  раскаленных  продуктов  сгорания,  это  позволит  продлить  срок  службы  выходных  элементов  горелки.

8.  На  выходные  элементы  горелки  воздействует  интенсивный  радиационный  поток,  поэтому  выходные  элементы  на  расстоянии  1,5÷2  ширины  воздушного  канала  от  торца  горелки  следует  изготавливать  из  жаростойкой  стали. 

Разработанная  автором  плоскофакельная  горелка  [3]  при  подаче  газа  концентрированной  струей  в  периферийный  канал  в  сравнении  с  рассмотренными  вихревыми  и  прямоточно-вихревыми  горелками  обеспечивает  пониженную  на  110-120  ºС  максимальную  температуру,  меньший  в  1,3—1,6  раза  объем  зоны  высоких  температур  и  сниженный  выход  оксидов  азота  до  1,5  раз,  при  обеспечении  высокой  полнотой  выгорания  в  объеме  топки.

Для  рассмотренных  вариантов  ПФГ  [3]  установлено,  что  с  ростом  неравномерности  распределения  газа  в  выходном  сечении  концентрация  оксидов  азота  уменьшается  до  3  раз.

Использование  плоскофакельных  горелок  для  сжигания  газа  является  рациональным  решением,  позволяющим  при  низких  затратах  на  прокачку  воздуха  и  изготовление  эффективно  сжигать  природный  газ.

Список  литературы:

1.Методические  указания  по  проектированию  топочных  устройств  энергетических  котлов  /  под  ред.  Э.Х.  Вербовецкого,  Н.Г.  Жмерика.  СПб:  НПО  ЦКТИ-ВТИ.,  1996.  —  270  с.

2.РТМ  108.030.120-78.  Горелки  прямоточные  пылеугольные,  пылегазовые  и  компоновка  их  с  топками.  Методы  расчета  и  проектирования.  Л.  :  НПО  ЦКТИ,  1978.

3.Юрьев  Е.И.  Совершенствование  характеристик  топочного  устройства  котла  при  переводе  на  сжигание  природного  газа  //  Изв.  ВУЗов.  Сев.-Кавказский  регион.  Сер.:  техн.  науки.  —  2013.  —  №  5  —  С.  20—25.