РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ РАЗМЕРОВ ГОРЕЛОК

Расчет горелок без предварительного смешения заключается в опреде­лении проходных сечений для газа, воздуха и газовоздушной смеси или в определении пропускной способности горелки с известными геометричес­кими размерами.

Расчетная схема горелки без предварительного смешения показана на рис. 4.1.

Рис. 4.1. Расчетная схема горелки без предварительного смешения

Обычно при расчете бывают заданы параметры газа(, r_0г, Т_г, р_г), воздуха (Т_в, р_в) и про­пускная способность горелки по газу V_0г.

Количество воздуха V_0в (м³/с), которое должно быть подано для сжи­гания газа, можно определить по формуле

V_0в =aL₀V_0г (4.1)

где a— коэффициент расхода воздуха, который для обеспечения полного сжигания в горелках без предварительного смешения принимают не менее 1,1—1,15 (за исключением особых случаев нагрева в продуктах неполного сгорания); L₀ — стехиометрическое (при a = 1,0) количество воздуха на еди­ницу объема газа (определяется для данного вида газа по приложению I).

Расчет горелок без предварительного смешения основан на законах истечения. Так как в горелки поступают газ и воздух низкого давления, то при расчетах их можно принять несжимаемыми. Тогда скорость газа или воздуха w₀ (м/с) в выходном сечении можно определить по формуле

(4.2)

где x — коэффициент сопротивления горелки, отнесенный к скорости в самом узком сечении; для горелки с конфигурацией, изображенной на рис. 4.1, x_в=1,0; x_г=1,5.

Площадь выходного сечения, мм²:

F=V*10⁶/w₀. (4.3)

Зная F, можно определить диаметр газового сопла d_г и размеры щели для воздуха d_коp (мм):

(4.4)

(4.5)

Действительная скорость газа или воздуха в выходном сечении со (м/с) равна

w=w₀Т/Т₀ (4.6)

Действительные скорости газа и воздуха в выходных сечениях горелки могут быть весьма различными. Опыт работы и результаты исследований горелок показывают, что скорость истечения газа не должна быть выше 80—100 м/с. Для холодного природного газа такая скорость соответствует давлению перед горелкой не более 6 кПа. Давление коксового и доменного газов по условиям газового баланса металлургических заводов обычно не превышает этой величины.

Действительная скорость воздуха для сокращения длины факела дол­жна отличаться от скорости газа примерно в 2 раза и, во всяком случае не более чем в 3—4 раза. Для получения очень длинного факела действительные скорости газа и воздуха можно принимать равными или мало отличаю­щимися друг от друга. Обычно скорость воздуха принимают ниже скорости газа и равной примерно 40—60 м/с, что соответствует давлению холодного воздуха 1—2,5 кПа, а воздуха, подогретого до 40Q °С перед горелкой, 0,5— 1,0 кПа. Такое давление отвечает возможностям современных дутьевых средств.

Скорость смеси в носике горелки при максимальном количестве пода­ваемых в горелку газа и воздуха может составлять 25—30 м/с.

Скорости газа и воздуха в трубопроводах, присоединенных к горелке, и во входных сечениях самой горелки выбирают равными 8—10 м/с для воздуха и 10—15 м/с для газа. При значительном давлении газа или воздуха их скорости в трубопроводе могут быть увеличены до 18—20 м/с с тем, чтобы использовать избыток давления и сократить диаметры трубопрово­дов. Если же давления газа и воздуха недостаточно, то для уменьшения потерь их давления скорости в трубопроводах следует принимать равными 5 -7 м/с.

Скорость газа внутри горелки на подводе к соплу может быть принята примерно в два раза больше, чем в подводящем трубопроводе, т.е. 20—25 м/с.

Рекомендуемые значения скоростей приведены в табл. 4.1.

Выбирать размеры трубопроводов и частей горелки с круглым попе­речным сечением или определять скорости при заданном диаметре участ­ков газового и воздушного трубопроводов удобно по номограмме (прило­жение II).

Последовательность расчета геометрических размеров горелки по за­данной пропускной способности горелки по газу и давлению газа и воздуха следующая:

расчет V_0в по формуле (4,1);

расчет w_0r и w_0в по формуле (4.2);

расчет F_г и F_в по формуле (4.3);

расчет d_г по формуле (4.4);

расчет диаметра газовой трубы в горелке;

расчет воздушной щели (диаметра корпуса горелки d_кор ) по формуле (4.5);

расчет действительных скоростей газа и воздуха по формуле (4.6) и проверка их соотношения;

расчет d_н.г;

расчет диаметров подводящих трубопроводов газа и воздуха.

Если известны геометрические размеры горелки и необходимо опре­делить ее пропускную способность при заданных давлениях газа и воздуха, то, рассчитав скорости по формуле (4.2), определяют пропускную способ­ность при известных проходных площадях по формуле (4.3).

Если давления газа и воздуха не заданы, то можно задаться скоростя­ми газа и воздуха на выходе из горелки с учетом высказанных выше сооб­ражений (см. табл. 4.1).

Пример расчета горелки без предварительного смешения. Рассчитать го­релку типа «труба в трубе» для сжигания V_0г = 0,0085 м³/с природного газа с = 34,00 МДж/м³. Давление газа перед горелкой 5,3 кПа, воздуха 0,5 кПа. Температура газа 20 °С, воздух подогрет до 400 °С; a = 1,1.

По рис. I-20 приложения I находим r_0г = 0,82 кг/м³ и L₀ = 9,01 м³/м³ газа.

По формуле (4.1)

V_0в = 1,1 • 9,01 • 0,0085 = 0,0842 м³/с.

По формуле (4.2)

,

По формуле (4.3)

F_г =

По формуле (4.4)

По формуле (4.3)

F_в =

Принимаем скорость газа в газовой трубе 25 м/с, тогда (по приложе­нию II) d_вн = 21 мм.

Принимаем наружный диаметр газовой трубы d_тр = 35 мм. Тогда по формуле (4.5)

По формуле (4.6)

,

w_г : w_в=96,4/43,6=2,2

Количество газовоздушной смеси

V_0см = V_0г + V_0в = 0,0085 + 0,0842 = 0,0927 м³/с.

Принимаем скорости на подводе газа 12,5 м/с, на подводе воздуха 8 м/с и на выходе газовоздушной смеси из носика горелки 25 м/с. Тогда по приложению II диаметры на подводе газа 30 мм, на подводе воздуха 115 мм, носика горелки 70 мм.

ГОРЕЛКИ ТИПА "ТРУБА В ТРУБЕ"

Стальпроектом разработаны горелки типа "труба в трубе" трех серий: малой тепловой мощности — серия М, средней тепловой мощности — серия С и большой тепловой мощности — серия Б. Каждая серия имеет два исполнения: для газов с высокой = 10—35 МДж/м³ — исполнение В; для газов с низкой = 3,5—10 МДж/м-³ — исполнение Н.

Конструкция горелок позволяет применять газ и (или) воздух, подо­гретые до 400 ^оС.

Рекомендуемые максимальное давление газа перед горелкой 6 кПа, минимальное, определяемое возможностью работы приборов автоматичес­кого регулирования, 0,1 кПа.

Горелки типа "труба в трубе" малой, средней и большой тепловой мощности различаются размерами и конструктивным исполнением, а горелки для газов с высокой и низкой теплотой сгорания — соотношением проходных сечений для воздуха и газа. Однако номинальное их деление является условным, поскольку при определенных соотношениях давлений и температур подогрева газа и воздуха, теплоты сгорания газа и коэффици­ентов расхода воздуха теплопроизводительность горелки серии С может оказаться выше, чем горелки серии Б, и наоборот, или для сжигания газа с низкой теплотой сгорания может потребоваться горелка исполнения В.

Горелки типа "труба в трубе" малой тепловой мощности разработаны в двух исполнениях (ДВМ и ДНМ) пяти типоразмеров с диаметром носи­ков горелок от 20 до 50 мм. Горелки малой тепловой мощности показаны на рис. 4.2, а их конструктивные размеры приведены в табл. 4.2.

Горелки типа "труба в трубе" средней тепловой мощности разработа­ны в двух исполнениях (ДВС и ДНС) шести типоразмеров с диаметром носиков горелок от 60 до 150 мм. Горелки средней тепловой мощности показаны на рис. 4.3, а их конструктивные размеры приведены в табл. 4.3.

При диаметре газопровода до 2" его присоединяют к горелке на резьбе; при большем диаметре — при помощи колена, снабженного глядел­кой. Это определяет тип (I или II) конструктивного исполнения горелки.

Горелки типа "труба в трубе" большой тепловой мощности разработа­ны в двух исполнениях (ДВБ и ДНБ) десяти типоразмеров с диаметром носиков горелок от 200 до 425 мм. Горелки большой тепловой мощности показаны на рис. 4.4, а их конструктивные размеры приведены в табл. 4.4.

Газ ко всем горелкам большой тепловой мощности подводят с помо­щью колена, снабженного гляделкой. Горелка с диаметром носика 300 мм выполнена в двух вариантах, различающихся диаметрами подводов воздуха

и газа. В связи с тем, что горелки большой тепловой мощности предназначены в основном для установки на торцах методичес­ких печей, оси подводов воздуха и газа отклонены от вертикали на 15° для удобства их монтажа на печи.

Обозначение горелок состо­ит из букв и цифр: первая буква Д — горелка дутьевая, вторая (В или Н) — исполнение горелки, третья (М, С или Б) — серия го­релки, первая цифра — диаметр

носика горелки (мм), вторая (через косую) — диаметр газового сопла (мм). Например, обозначение горелки ДНС 110/60 означает: дутьевая горелка типа "труба в трубе" средней тепловой мощности для газа с низкой теплотой сго­рания, имеющая диаметр носика 110 мм и диаметр газового сопла 60 мм.

ВЫБОР ГОРЕЛОК ТИПА "ТРУБА В ТРУБЕ"

Обычно бывают заданы параметры газа (, р_0г, Т_г, р_г), воздуха (t_в, р_в, a) и пропускная способность горелки по газу V_0г.

Выбор горелки состоит в определении ее размера, диаметра газового сопла и проверке получаемых скоростей воздуха и газа на выходе из горелки и в подводящих трубопроводах, а также скорости газовоздушной смеси на выходе из горелки.

Сначала определяют необходимое количество воздуха по формуле (4.1), пользуясь данными для газа из приложения I.

Типоразмер горелки выбирают по графикам на рис. 4.5 — 4.7 в зависи­мости от количества воздуха и его давления перед горелкой.

Графики на рис. 4.5 — 4.7. построены для холодного воздуха (20 °С). При температуре воздуха t горелку следует выбирать по расчетному количеству воздуха V_в (м³/с):

V_в=V_0вk_г (4.7)

где k_t — поправка на температуру, равная.

Значение k_t можно найти по графику (рис. 4.8).

Диаметр газового сопла для газа с температурой 20 ^оС также определя­ют по графикам (рис. 4.9) в зависимости от необходимой пропускной спо­собности горелки по газу и его давления перед горелкой.

Для газа с температурой t и плотностью r_0г,. горелку следует выбирать по расчетному количеству газа V_г (м³/с):

V_г=V_0гk_tk_r (4.8)

где k_p - поправка на плотность газа, равная . Значение поправки на плотность можно найти по графику на рис. 4.10.

После выбора горелки проверяют скорости газа и воздуха на подводе к горелке и на выходе из нее.

Скорость газа и воздуха на подводе к горелке и газовоздушной смеси на выходе из горелки удобно определять, исходя из количества среды и диаметра подвода или носика горелки по номограмме (приложение II).

Соотношение действительных скоростей газа и воздуха на выходе из горелки можно определить по формуле

(4.9)

где w_г и w_в — скорости газа и воздуха (м/с), определяемые по графику (рис. 4.11) в зависимости от давления перед горелкой и плотности газа; k_tг и k_tв — поправки на температуру соответственно для газа и воздуха, определяемые по приведенной выше формуле или по графику (рис. 4.8). Рекомендуемые значения скоростей приведены в табл. 4.1. На примерах можно показать ход выбора нормализованных горелок типа "труба в трубе" конструкции Стальпроекта.

Пример 1. Подобрать горелку для сжигания V_0г = 0,25 м³/с смеси кок­сового и доменного газов с = 8,4 МДж/м³. Давление газа перед горел­кой 4 кПа, воздуха 1,3 кПа. Газ и воздух холодные (20 °С), a = 1,15.

По рис. I-9 приложения I находим плотность газа р_0г= 1,01 кг/м³ и L₀ = 1,88 м³/м³ газа.

Количество воздуха

V_0в = 1,15 • 1,88 • 0,25 = 0,54 м³/с.

Поправки на температуру и плот­ность равны единице, поэтому расчет­ные расходы газа и воздуха равны за­данным.

По графику (рис. 4.7, в) находим, что заданным давлению и количеству воздуха соответствует горелка ДНБ 200.

По графику (рис. 4.9, 6) выбира­ем сопло d_г = 70 мм.

По графику (рис. 4.11) находим w_г = 71 м/с и w_в = 43 м/с. Отношение скоростей w_г : w_в= 1,65.

По номограмме (приложение II) оп­ределяем:

скорость газа в подводящем газопрово­де D = 150 мм при количестве газа 0,25 м³/с равна 14,5 м/с;

скорость воздуха в подводящем возду­хопроводе D = 300 мм при V_0в= 0,54 м³/с равна 7,7 м/с;

скорость газовоздушной смеси на выходе из горелки при d_н.г= 200 мм и количестве газовоздушной смеси 0,25 + 0,54 = 0,79 м³/с составляет 25 м/с. Все скорости находятся в приемлемых пределах.

Пример 2. Подобрать горелку для сжигания V_0г = 0,02 м³/с природного газа с =34,95 МДж/м³. Давление газа перед горелкой 5 кПа, давление воздуха 1,0 кПа. Газ холодный (20 °С), воздух подогрет до 350 °С; a = 1,1.

По рис. I-21 приложения I находим р_0г= 0,77 кг/м³ и L₀ — 9,25 м³/м³ газа.

Необходимое количество воздуха

V_0в = 1,1 • 9,25 • 0,02 = 0,204 м³/с.

По графику (рис. 4.8) k_t= 1,46.

Расчетное количество воздуха

= 0,204 • 1,46 = 0,298 м³/с.

По графику (рис. 4.6, а) по расчетному количеству воздуха и заданно­му его давлению подбираем горелку ДВС 110.

Для газа k_t = 1, k_r = 0,88 (см. рис. 4.10).

Тогда V_г = 0,02 • 0,88 = 0,0176 м³/с.

По графику (рис. 4.9, а) по рас­четному количеству газа и заданно­му его давлению выбираем сопло d_г = 17мм.

По графику (рис. 4.11) находим w_0г= 90 м/с и w_0в = 38 м/с. Отноше­ние скоростей по формуле (4.9)

= 90 : 38 : 1,46= 1,62.

По номограмме (приложение II) определяем скорости: в подводя­щем газопроводе (D₉ — 2") 6 м/с, в воздухопроводе (D₂ =150 мм) 11 м/с и на выходе газовоздушной смеси из горелки (d_н.г = 110 мм) 25 м/с. Скорость газа в газопроводе занижена, поэтому подводящие трубо­проводы можно сделать меньшего диаметра с переходом на 2" у горелки.

Пример 3. Подобрать горелку для сжигания V_0г = 1,0 м³/с смеси коксо­вого и доменного газов с = 8,4 МДж/м³. Давление газа перед горелкой 6 кПа, давление воздуха 0,5 кПа. Газ холодный (20 °С), воздух подогрет до 400 ^оС; a = 1,2; р_0г= 1,01 кг/м³; L₀ = 1,88 м³/м³ газа.

V_0в= 1,2•1,88•1,0 = 2,26м³/с.

Для воздуха по графику (рис. 4.8) k_t= 1,52.

Тогда = 2,26 • 1,52 = 3,44 м³/с.

Из графика (рис. 4.7, г) видно, что при заданном количестве и давле­нии воздуха подобрать горелку ДНБ для газа с низкой теплотой сгорания нельзя. Поэтому по графику (рис. 4.7, б) выбираем горелку ДВБ 425.

Для газа k_t и k_r равны единице, поэтому расчетное количество газа равно заданному.

По графику (рис. 4.9, б) выбираем газовое сопло (d_г = 120 мм).

По графику (рис. 4.11) находим w_ог = 86 м/с и w_в = 27 м/с. Отношение скоростей по формуле (4.9)

= 86 : 27 : 1,52 = 2,1.

По номограмме (приложение II) определяем скорости, м/с: в подводя­щем газопроводе (D₅ =150 мм) 55, в воздухопроводе (D₂ = 500 мм) 11 и на выходе газовоздушной смеси из горелки (d_н.г= 425 мм) 22. Из этих данных видно, что завышена скорость в подводящем газопроводе, поэтому диаметр его должен быть увеличен с переходом на D = 150 мм вблизи горелки.

Пример 4. Определить пропускную способность горелки ДВС 150/40 при подаче через нее коксового газа с = 17,1 МДж/м³. Давление газа перед горелкой 3,5 кПа, давление воздуха 1,1 кПа. Газ холодный (20 °С), воздух подогрет до 300 °С; a = 1,15.

По рис. I-17 приложения I определяем р_0г= 0,48 кг/м³ и L = 4,06 м³/м³ газа.

По графику (рис. 4.6, а) определяем для горелки ДВС 150 при задан­ном давлении воздуха = 0,65 м³/с. Для воздуха k_t= 1,4 (см. рис. 4.8).

Пропускная способность горелки по воздуху

V_0в =/k_t= 0,65 : 1,4 = 0,47 м³/с. (4.10)

Пропускная способность горелки по газу

V_ог = V_0в/aL₀ = 0,47 : (1,15 • 4,06) = 0,1 м³/с (4.11)

Для газа k_t = 1 и по графику (рис. 4.10) k_p = 0,69.

Тогда = 0,1 • 0,69 = 0,069 м³/с.

По графику (рис. 4.9, б) определяем, что для газового сопла d_г = 40 мм необходимое по расчету количество газа будет обеспечено при давлении газа перед горелкой 3 кПа.

По графику (рис. 4.11) определяем w_г = 91 м/с и w_в = 41 м/с.

По формуле (4.9)

=91 : 41 : 1,4= 1,6

По номограмме (приложение II) определяем скорости, м/с: в подво­дящем газопроводе (D_y = 2") 27, в воздухопроводе (D₂ = 200 мм) 15 и на выходе газовоздушной смеси из горелки (d_н.г= 150 мм) 33.

Все скорости находятся в приемлемых пределах.

Выбор горелок облегчают данные испытаний, приведенные в табл. 4.4 и на графиках рис. 4.12 — 4.14.