1 стр. из 1

Подавляющее большинство теплогенерирующего оборудования установлено более 30–40 лет назад и работает недостаточно эффективно. Мощными потребителями природного газа являются промышленные и отопительные котельные, причем их КПД (по общим тепловым балансам) составляет в среднем около 75%. Конструкции печей различного назначения также морально устарели (большинство из них было спроектировано под твердое топливо), их работа отличается низкой маневренностью, низким значением КПД, высоким уровнем токсичности.

Такое положение характерно для всех типов огнетехнического оборудования (котлы, печи, сушила, теплогенераторы, камеры сгорания) в различных отраслях экономики. Как известно, основным элементом огнетехнического оборудования (ОО) является горелочное устройство (ГУ), рабочий процесс которого характеризуется экономичностью, надежностью и экологической безопасностью для объекта в целом. Комплекс аэротермохимических процессов, определяющий работу ГУ, является сложнейшим в технике, недостаточно изученным и не поддается точным расчетам. Однако потребности производства подталкивают к поиску соответствующих подходов, позволяющих уже сейчас создавать ГУ необходимой эффективности. Для этого необходимо существенно изменить отношение к технологии сжигания как к совокупности физико-химических процессов, обеспечивающих эффективное преобразование химической энергии топлива в продукты сгорания необходимого качества.

Сам термин «технология сжигания» не часто звучит на технических семинарах, совещаниях и конференциях. А о рабочем процессе ГУ, аэродинамической схеме, стабилизации горения очень редко можно услышать даже на научных конференциях. Аэродинамическая структура течения (как показывают исследования — важнейшая характеристика ГУ) вообще исчезла из поля зрения исследователей рабочего процесса ГУ.

Нечеткое представление об основных принципах сжигания, пренебрежение научными подходами к решению данной проблемы не прошло бесследно. Несмотря на то, что в настоящее время в мировой практике насчитывается много сотен типов ГУ различных фирм (включая Simmens, Wayshaupt, Riello, Girsh), к сожалению, приходится констатировать тот факт, что пока не существует ГУ, в полной мере удовлетворяющих всем современным требованиям в совокупности, с точки зрения экономичности, экологической безопасности и надежности.

Как правило, улучшения показателей по экономичности добиваются за счет ухудшения экологических характеристик, снижения уровня надежности, сужения диапазона рабочего регулирования и т. д.

Для формирования подходов к созданию технологии сжигания топлив необходимо прежде всего четко сформулировать современные требования к ГУ.
1. Легкий и надежный розжиг при минимально возможном расходе газа (для «безхлопкового» розжига котла и обеспечения плавного выхода ОО из «холодного» в «горячее» состояние либо просушивания ОО).
2. Устойчивое (безхлопковое) горение в широком диапазоне скоростей горючего и окислителя (для предотвращения срыва факела при резких колебаниях давления газа и воздуха).
3. Необходимый диапазон регулирования по мощности (Кр) и коэффициенту избытка воздуха (α) для обеспечения оптимальных режимов сушки футеровки и теплового состояния элементов ОО, необходимого качества продуктов сгорания и их температурного уровня, обеспечения регулировки мощности ОО без отключения части ГУ.
4. Максимально возможная полнота сгорания топлива (ηг) в топочном объеме ОО.
5. Допустимый уровень эмиссии токсичных веществ (NОX, CO, SO2 и т. д.) во всем диапазоне нагрузок.
6. Возможность управления длиной и светимостью факела, а также его аэро-динамической и концентрационной
структурой для обеспечения необходимой интенсивности и равномерности распределения тепловых потоков, уменьшения вероятности соприкосновения факела с элементами ОО, образования окислительной или восстановительной среды в продуктах сгорания.
7. Минимально возможное сопротивление по трактам горючего и окислителя для обеспечения возможности работы при низких давлениях газа и воздуха, снижения расхода электроэнергии на привод тягодутьевых машин.
8. Надежность и простота регулирования режимов работы для упрощения автоматики и обеспечения безопасности.
9. Возможность надежной работы на самотяге и в безвентиляторном режиме на частичных нагрузках за счет разрежения, создаваемого дымососом либо трубой, что важно при аварийных отключениях тягодутьевых средств и позволяет существенно экономить электроэнергию.
10. Постоянство показателей рабочих характеристик в процессе эксплуатации.
11. Низкий уровень шума.
12. Модульность, которая позволяет создавать ГУ необходимой мощности из автономных пилонов.
13. Технологичность, простота изготовления, низкая металлоемкость, отсутствие потребности в дорогих материалах.

Необходимо также отметить, что спектр требований к ГУ постоянно расширяется, а нормы (в том числе экологические) ужес-точаются. В настоящее время ни одно ГУ (включая лучшие образцы зарубежных фирм) не удовлетворяет этим требованиям в комплексе.

Многолетние исследования основных компонентов рабочего процесса ГУ (аэродинамика течения горючего, окислителя и продуктов сгорания, химическое реагирование горючего и окислителя, процессы теплопередачи), проведенные в лаборатории горения НТУУ «КПИ» выявили определяющую роль аэродинамических процессов, что позволило классифицировать типы ГУ по нескольким газодинамическим схемам подачи горючего и окислителя. Причем практически все ГУ ведущих фирм мира работают по схеме 1 с закруткой потока воздуха. Схемы 4 и 5 — инжекционные и подовые ГУ — морально устарели и, соответственно, являются бесперспективными.

Анализ аэродинамической структуры ГУ с различными аэродинамическими схемами показал, что основными причинами их недостаточной эффективности при переменных режимах являются:
 разрушение циркуляционных зон высоконагретых продуктов сгорания, обеспечивающих аэродинамическую стабилизацию горения;
 нарушение равномерности распределения горючего в потоке окислителя;
 выход концентрации топливной смеси в зонах обратных токов (ЗОТ) за пределы воспламенения.

Из этого следует, что для создания эффективного ГУ важно обеспечить устойчивую аэродинамическую структуру (необходимые поля скоростей и искусственной турбулентности, систему устойчивых вихреобразований, необходимую глубину проникновения струй горючего в поток окислителя и т. д.) течения горючего, окислителя и продуктов сгорания в широком диапазоне скоростей c необходимым концентрационным полем топливной смеси.

Аналитические и экспериментальные исследования показали, что ГУ, реализующее современную технологию сжигания топлива, должно обеспечивать:
 рациональное первоначальное распределение горючего в потоке окислителя;
 высокий уровень интенсивности турбулентности в области образования топливной смеси;
 устойчивую управляемую аэродинамическую структуру течения горючего, окислителя и продуктов сгорания с зонами обратных токов в области стабилизации факела;
 саморегулируемость состава топливной смеси в зоне обратных токов;
 самоохлаждение ГУ горючим и окислителем с термической подготовкой топливной смеси.

На основе сформулированных принципов разработана и предложена новая технология сжигания топлива, удовлетворяющая современным комплексным требованиям экологической безопасности, экономичности и надежности, предъявляемым к ГУ.

Данная технология основывается на газодинамической схеме, предусматривающей поперечную подачу горючего в сносящий поток окислителя перед вихреобразователем в виде ниш (струйно-нишевая система). На рисунке 2 представлен горелочный пилон с расположенной на нем струйно-нишевой системой.

Струйно-нишевая система обладает устойчивой вихревой структурой с переменным объемом устойчивой циркуляционной зоны и постоянным составом топливной смеси в области стабилизации факела. Такой горелочный модуль замыкает на себя все стадии рабочего процесса: распределение горючего в потоке окислителя, смесеобразование до необходимого уровня концентрации, воспламенение топливной смеси, стабилизацию факела и формирование концентрационных, скоростных и температурных полей продуктов сгорания; активно самоохлаждается окислителем и горючим и вследствие саморегулируемости состава топливной смеси не требует сложной автоматики управления.

Измерение удельных тепловыделений в таких факелах при α→1 показало, что механизм горения в них приближается к кинетическому, но при этом обеспечивает широкие пределы регулирования, что характерно для диффузионного механизма горения.

Циркуляционные зоны, отвечающие за стабилизацию горения в пилоне, по объему в сотни раз меньше, чем в традиционных ГУ. Они обладают высокой устойчивостью в широком диапазоне изменения скоростей горючего и окислителя вследствие постоянства оптимального состава топливной смеси в зоне обратных токов. На основе таких модулей создается ГУ практически любой необходимой мощности.

Научно-производственное объединение «Струйно-нишевая технология» успешно внедряет ГУ СНГ на котлах различного типа и производительности: НИИСТУ-5, «Надточия», ТВГ, КВГ, ДКВР, КВГМ, ПТВМ, Е, ДЕ, ОП и др. (всего 40 типов). На сегодняшний день модернизировано более чем 600 котлов.

По сравнению с наиболее распространенными ГУ, горелки СНГ обладают значительно меньшим сопротивлением по воздушному тракту. Также имеет место снижение эмиссии оксидов азота за счет улучшенного смесеобразования и предельного снижения избыточного воздуха в топливной смеси, проходящей через ГУ до значений α = 0,01...1,005. На всех котло-агрегатах достигнуты предельные значения КПД за счет снижения коэффициента избыточного воздуха, повышения температурного уровня в топочном пространстве, интенсификации радиационного теплообмена (т. е. снижения расхода и температуры уходящих продуктов сгорания), например, на котлах ДКВР и ТВГ — 93–95%, ДЕ, КВГМ, ПТВМ — 94–96%.

Существенная экономия электрической энергии обеспечивается за счет снижения нагрузки на тягодутьевые средства (в 1,5–2 раза) из-за уменьшения аэродинамического сопротивления и количества избыточного воздуха. Во многих случаях ОО работает с отключенными вентиляторами — только за счет дымососа.
Струйно-нишевая технология оптимизирует аэродинамику топочного пространства и значительно улучшает показатели технологического процесса ОО. Это проявилось на ОАО «Запорожсталь» при модернизации мартеновских печей, миксеров, постов сушки ковшей, агломерационной фабрики. При этом достигнута экономия газа на 20–80% и значительно улучшены экологические показатели.

Многолетние и многочисленные исследования объектов, модернизированных при помощи СНГ, показали значительное улучшение режима эксплуатации за счет плавного и безопасного запуска (при нагрузках 5–10% номинальной мощности и ниже), а также высокой температурной равномерности в топочном пространстве. Это существенно увеличивает межремонтный период работы оборудования.

Специалистам НПО «СНТ» при помощи СНГ удалось решить много проблем эксплуатации ОО: устранены вибрационные явления на различных котлах за счет упорядочивания аэродинамики течения, обеспечилось устойчивое производство тепловой энергии (что дало ощутимый социальный эффект) при снижении давления газа менее 50 мм в. ст. Экономические расчеты показали, что СНГ является основой малозатратной модернизации даже ОО устаревшей конструкции. Срок окупаемости (за счет экономии газа) до 1 года.

Полная или частичная перепечатка материалов - только разрешения администрации!