Устройства для сжигания газа

 

Устройства, которые применяют для сжигания газообразного топлива, называются горелками. Основное назначение горелок состоит в обеспечении заданного, экономически целесообразного режима работы печи. Для достижения этой цели применение горе­лок должно обеспечить:

1) подвод и смешение между собой необходимых количеств

топлива и воздуха;

2) полноту сжигания топлива в пределах рабочего простран­ства

печи;

3) сжигание топлива с образованием такого пламени, которое

может обеспечить требуемый по технологическим условиям

уро­вень теплопередачи в рабочем пространстве печи.

Таким образом, весь цикл, который составляет процесс сжига­ния топлива (смешение—горение—теплопередача), должен быть выполнен с наивысшей эффективностью и наивысшим кпд.

Основным классификационным признаком горелок является способ смешения газа с воздухом. По этому признаку горелки де­лят на три большие группы: 1) с полным предварительным смеше­нием газа и воздуха; 2) с частичным предварительным смешением газа и воздуха; 3) с внешним смешением.

К первой группе относятся такие горелки, которые обеспечи­вают полное смешение топлива и воздуха еще до выхода в печь. В печь, в зону горения, подают заранее подготовленную горючую смесь; процесс горения носит кинетический характер. Такие го­релки часто называют беспламенными, так как заранее подготов­ленная топливно-воздушная смесь, сгорая, почти не дает видимого пламени. Беспламенные горелки дают факел с малой излучатель­ной способностью; радиация такого факела быстро падает по мере удаления от горелки.

В горелках с частичным предварительным смешением к топливу предварительно (до выхода в печь) подмешивается только часть необходимого для горения воздуха.

В горелках с внешним смешением смесеобразование происхо­дит в одном объеме с горением, которое имеет диффузионный харак­тер. В результате при сжигании топлив, содержащих углеводороды, образуется хорошо видимое пламя за счет частичного разложения углеводородов с выделением сажи. Поэтому эти горелки часто называют пламенными.

Существует большое число различных конструкций горелок, поэтому мы ограничимся рассмотрением только наиболее распро­страненных, типичных для той или иной группы.

Горелки с полным предварительным смешением (инжекционные). При сжигании топлива очень важно правильно выбрать вели­чину коэффициента расхода воздуха, так как от него зависят пол­нота сгорания и достигаемая температура горения топлива. Чем выше качество смешения, обеспечиваемое горелкой, тем при мень­шей величине расхода воздуха можно достигнуть необходимой полноты сгорания. В инжекционных горелках, дающих хорошее предварительное смешение топлива с воздухом, необходимая пол­нота сгорания достигается при наименьшем по сравнению с горел­ками других типов коэффициенте расхода воздуха. Уменьшение коэффициента расхода воздуха влечет за собой увеличение темпе­ратуры горения. Поэтому горелки с предварительным смешением для аналогичного топлива обеспечивают наивысшую температуру горения.

Это обстоятельство широко используют на практике. Горелки подобного типа применяют при сжигании газа с низкой теплотой сгорания и когда необходимо нагревать металл с большой ско­ростью. В последнем случае при сжигании газа с достаточной теп­лотой сгорания развивается наивысшая температура горения по сравнению с температурой горения, развиваемой при применении других горелок. Подобные горелки целесообразно использовать также при сжигании топлива, не дающего светящегося пламени (доменного газа). Горелки такого типа обеспечивают концентриро­ванное выделение тепла в сравнительно небольшом объеме, дают короткий факел и позволяют вблизи горелки создавать зону доста­точно высоких температур. Факел, создаваемый такими горелками, характеризуется относительно низкой излучательной способ­ностью, соответствующей спектру излучения трехатомных газов СО₂ и Н₂0, являющихся по существу продуктами сгорания любого вида топлива. Такие горелки дают почти невидимое пламя и по­этому иногда называются беспламенными. Передача тепла к ме­таллу определяется поэтому в основном величиной температуры, которая достигается при сжигании топлива с применением инжек­ционных горелок.

В качестве примера рассмотрим инжекционную (кинетическую) горелку типа «Н» рис.5.

 

 

Рис.5. Инжекционная горелка, работающая на холодном воздухе и газе

 

Горелка работает следующим образом. Газообразное топливо под определенным давлением поступает в смеситель через входной патрубок 1 и, выходя с большой скоростью через сопло 3, инжектирует необходимый для горения воз­дух. Воздух подсасывается из окружающей атмосферы через коль­цевую щель между воздушной шайбой 2и смешивающей трубой 4.

Газ смешивается с воздухом уже вовремя подсасывания воздуха, однако для полного перемешивания нужен еще дополнительный участок, роль которого и выполняет смешивающая труба 4, длина которой должна быть не меньше семи ее диаметров. В инжекционной горелке подобной конструкции при изменениях расхода одного и того же топлива автоматически может поддерживаться заданная величина коэффициента расхода (избытка) воздуха, так как изме­нение расхода газа влечет за собой изменение количества инжекти­руемого воздуха. Применение инжекционных смесителей при ра­боте на холодном воздухе позволяет отказаться от воздухопрово­дов и вентиляторов, что является преимуществом горелок этого типа.

Производительность и устойчивость работы инжекционных горелок в значительной мере зависят от давления, под которым поступает газообразное топливо. Если давление таково, что ско­рость выхода смеси из носика горелки окажется меньше скорости горения для данного топлива, то пламя будет проскакивать внутрь смешивающей трубы, и горелка может выйти из строя. Возможен ж такой случай, когда при чрезмерном давлении скорость выхода смеси из носика горелки значительно превысит скорость горения и пламя будет отрываться от носика горелки, что снизит эффектив­ность ее работы. Нормальная скорость ω_нг выхода смеси из носика горелки должна лежать в пределах 20-50 м/с (при 0°С). Мини­мальное давление газа, необходимое для того, чтобы избежать проскока пламени в горелку, будет для доменного газа 490 Н/м²; для генераторного газа 881 Н/м² и для смеси коксового и доменного (газов ( = 8350 кДж/м³) -196 Н/м².

Горелки с внешним смешением (пламенные ). Горелки с внешним смешением получили очень широкое распространение на печах самого различного назначения и размеров. В зависимости от их конструктивного оформления длина факела меняется в очень ши­роких пределах. Общим для горелок с внешним смешением яв­ляется то, что до выхода из горелки топливо и воздух подаются по отдельным каналам. Перемешивание газа с воздухом осуще­ствляется на выходе из горелки уже в рабочем пространстве печи. В результате этого горение топлива затягивается и для обеспечения необходимой полноты сжигания топлива нужен 10-15%-ный избыток воздуха. Существуют различные методы взаимного ввода газа и воздуха, которые в той или иной мере осуществляются в конструкциях пламенных горелок. Конструктивное оформление ввода газа и воздуха оказывает весьма сильное влияние на интенсивность смешения и, как следствие,

на длину факела. Это хорошо видно из рис.6. Приведенные на рисунке 2-й и 5-й случаи соответст­вуют широко распространенным горелкам типа «труба в трубе» и турбулентным. При коаксиальном подводе газа и воздуха (2-й случай) качество смешения наиболее низкое, а длина факела наи­большая. Если придать воздуху интенсивное вращательное движение, что возможно в результате применения корпуса горелки улиткообразной формы (5-й случай), то смешение значительно улучшается, а факел укорачивается. Поэтому турбулентные го­релки с внешним смешением иногда называют горелками с улуч­шенным смешением. Таким образом, чем лучше смешение, тем ко­роче факел.

Пламенные горелки целесообразно применять при сжигании топлива с высокой теплотой сгорания, когда при достаточно высо­ком коэффициенте расхода кислорода, равном 1,1—1,15, можно обеспечить необходимый нагрев металла. Такие горелки чаще всего применяют при необходимости концентрированного подвода топ­лива небольшим числом горелок. При применении горелок с внеш­ним смешением наиболее просто осуществляется переход с одного вида топлива на другой.

К недостаткам горелок с внешним смешением надо отнести следующее:

1) высокое значение коэффициента расхода воздуха, что вы­зывает излишний расход топлива;

2) необходимость вентилятора для подачи воздуха;

3) потребность в специальных устройствах для регулирования количества воздуха по изменению количества газа.

 

 

Рис. 6. Влияние конструкции горелки на длину факела; 1-5– раз

личные случаи подвода газа и воздуха

 

Существует очень много различных горелок с внешним смеше­нием. К наиболее применяемым относятся горелки «труба в трубе».

Рис. 7 Двухпроводная горелка (горелка типа «труба в трубе»

Горелки типа «труба в трубе»(их часто называют двухпро­водными) могут работать на самых различных печах и на самом различном топливе при неболь­шом давлении и допускают ши­рокие пределы регулирования. Скорость выхода смеси в устье горелки берут в пределах ω_см=10-70м/с при давлении газа и воздуха 98-4900 Н/м². Необходимое давление газа и воздуха следует брать на 35- 40% больше динамического на­пора газа и воздуха соответст­венно в сечении f _г и в кольце­вом сечении f _в (рис.7).

Следует также правильно выбирать соотношение скоростей газа и воздуха в указанных сечениях. Ниже приведены прибли­женные рекомендуемые значения отношения площади воздушного кольца f _в к площади сечения газовой трубки /_г для различных топлив:

Смешанный газ при = 3771 - 5866 кДж/м³ 1,1

Смешанный газ при = 5866 - 8380 кДж/м³ 1,9

Коксовый газ 7

Природный газ 14

Габариты горелки невелики, причем отношение длины горелки к диаметру d≈ 5-7. Горелки этого типа применяют при подогре­тых газе и воздухе, работа их не зависит от давления в печи. Смешение топлива с воздухом в двухпроводных горелках плохое, что вызывает образование длинного факела; поэтому их целесооб­разно применять в тех случаях, когда тепловыделение от пламени должно быть растянуто по длине рабочего пространства. Подоб­ные горелки пока представляют собой оптимальный вариант для методических печей, отапливаемых природным газом. Применение горелок данного типа обусловлено также относительной простотой их конструкции и малой стоимостью.