Скоростной (радиационно-струйный) нагрев ТЕСКА ^®

В последнее время отечественными и зарубежными печестроительными фирмами исследуются и находят практическое применение различные способы интенсификации тепловой работы печей путем использования конвективной составляющей теплообмена. Влияние конвективной составляющей при нагреве по данным МИСиС г. Москва показано на рисунке 1. По результатам исследований доля конвективной (струйной) составляющей при нагреве (T≥1300^оК) может достигать 50% в общем теплообмене.

НПП «ТЕСКА^®» разработало и запатентовало технологию скоростного (радиационно-струйного) нагрева  (Патент РФ, Евразийский патент), основанную на принудительном распределении тепловых потоков, организованных скоростными факелами горелок.

Основным элементом реализации технологии скоростного нагрева является автоматическая скоростная горелка ГСС ТЕСКА^®.

Горелки ГСС позволяют обеспечить сжигание газообразного топлива в широком диапазоне изменения коэффициента избытка воздуха (α) от 1 до 40.

Температура факела горелок ГСС может изменятся от 100^оС до 2000^оС, скорость факела от 20 до 200 м/сек.

Применение технологии скоростного нагрева позволяет интенсифицировать процесс теплопередачи с заданными технологическими параметрами по скорости подъема температуры и равномерности.  Схема расположения горелок (ориентация факелов в рабочем пространстве печи) определяется индивидуально с учетом конструкции, производительности печи, расположением и заполнением рабочего пространства печи нагреваемым материалом, заданной технологией нагрева/термообработки и т.д.

При разработке рационального режима нагрева/термообработки выбирается наиболее оптимальный режим управления горелками: аналоговый, импульсный, пульсирующий, режим качающейся струи, комбинированный.

Разработанная НПП «ТЕСКА» (Патент РФ, Евразийский патент) камерная печь для скоростного нагрева позволяет уменьшить время нагрева от 2 до 4 раз, увеличить удельную производительность с 1 м² пода печи в 4÷6 раз, сократить удельный расход топлива в 2÷2,5 раза. Камерная печь для скоростного обжига ТЕСКА была включена в состав новых кирпичных заводов малой мощности фирмы КЕЛЛЕР (Германия).

Результаты промышленного применения технологии и горелок ТЕСКА на различных типах промышленных газовых печей, паровых и водогрейных котлов, тепловых установок (более 80 объектов) показали:     

• сокращение удельного  расхода топлива от 15 до 80 %; ?>
• снижение времени нагрева и, как следствие, получение резерва для увеличения производительности печи;
• повышение качества нагрева (температурная равномерность ± 5◦С);
• снижение угара металла до ≤ 1%;
• снижение вредных выбросов по СО и NOx в 2,5 раза ниже норм РФ и в 1,5 раза ниже экологических норм "Голубой ангел" ЕС. 

Сжигание топлива в горелках ГСС ТЕСКА^®

Отличительной особенностью современных промышленных горелок является:

Энергоэффективность – получение при сжигании газового топлива тепловой энергии с максимально возможным температурным потенциалом. Чем выше температурный потенциал, тем выше «полезность» полученной тепловой жнергии.

Экологическая безопасность – снижение в продуктах сгорания, покидающих печь, содержания вредных выбросов по СО, NO_x , СО₂.

Управляемость – возможность решения широкого спектра задач по управлению тепловой работой агрегата.

Для сравнения эффективности работы горелок рассмотрим процесс сжигания природного газа (среднего состава) в трёх различных по конструкции горелках при нормальных условиях (температура газа и воздуха на горение = 0^оС, барометрическое давление – 103,3 кПа), Рис.1:

Идеальная горелка (1) – полное  сжигание топлива осуществляется непосредственно в горелке. Процесс горения полностью изолирован от потерь тепловой энергии. Температура продуктов сгорания достигает калориметрического (максимального) значения ~ 2050^оС, тепловой КПД =100%, полезность получаемой тепловой энергии - 100%.

Горелка ГСС ТЕСКА^® (2) – сжигание  до 90% газового топлива осуществляется непосредственно в горелке, 10% в коротком жёстком факеле на выходе из горелки. Процесс горения практически изолирован от потерь тепловой энергии. Температура продуктов сгорания 1900^оС, тепловой КПД = 90%, полезность получаемой тепловой энергии = 90%.

Горелка типа «труба в трубе» (3) – сжигание 10-15% газового топлива в факеле горелки и до 85-90% в рабочем пространстве печи. Процесс горения происходит с высокими  потерями тепловой энергии и получением температуры продуктов сгорания ~ 1200÷1250^оС. Тепловой КПД = 65%, полезность получаемой тепловой энергии – 60÷65%.

На сегодняшний день ~ 95% российских промышленных печей, паровых и водогрейных котлов оборудованы горелками типа «труба в трубе» и их модификациями: ГНП, ГМГ, ДВБ, ДВС и др.

Процесс горения топлива в горелках можно условно разделить на три последовательных этапа I, II, III, Рис.1 :

I этап – осуществляется активизация веществ, которые должны вступить в реакцию горения за счёт энергии (q₁, q₂, q₃), получаемой системой из вне (искра, запальник). За этот период (продолжительность которого может быть различна, например τ₁, τ₂, τ₃) реагирующие молекулы должны получить необходимое возбуждение и вступить в контакт путём образования надлежащих горючих соединений. На этом этапе создаются условия для дальнейшего развития направленной химической реакции горения, протекающей во II этапе.

II этап – процесс  горения, характерен резким выделением энергии за счёт химических реакций. На этом этапе система развивает тот или иной температурный потенциал (t₁, t₂, t₃) в зависимости от условий прохождения I  этапа  и степени изолированности процесса горения от потерь тепловой энергии. В конце II этапа процесс горения переходит в состояние химико-динамического равновесия.

III этап – процесс  горения находится в состоянии химико-динамического равновесия. В этот период процесс горения используется как источник получения тепловой энергии (Q₁, Q₂, Q₃).

Из графика видно, что количество произведённой тепловой энергии при работе трёх горелок одинаково -

  Q₁= Q₂+Q_{потерь2}= Q₃+Q_{потерь3}.

У горелок разной конструкции, сжигание топлива может происходить с развитием различного температурного потенциала, в зависимости от величины потерь тепловой энергии Q_пот1, Q_пот2, Q_пот3.

Таким образом, энергоэффективность горелки будет тем выше, чем более высокий температурный потенциал она развивает.

Применение горелок с высокой энергоэффективностью позволит интенсифицировать процесс теплопередачи, сократить время тепловой обработки материала, снизить потери и, как следствие, сократить удельный расход газа на единицу продукции.