ГОРЕЛКИ ДЛЯ СЖИГАНИЯ ГАЗООБРАЗНОГО ТОПЛИВА

1.  ГОРЕЛКИ ДЛЯ СЖИГАНИЯ ГАЗООБРАЗНОГО ТОПЛИВА

1.1.  Классификация газовых горелок

Газовая горелка — это устройство, обеспечивающее устойчивое горение газового топлива и возможность регулирования процесса горения. Для сжигания топлива в топках котлов используются горелочные устройства разных конструкций. Горелки можно классифицировать:

• по степени подготовки горючей смеси: без предварительного смешения газа с окислителем, а также с предварительным смешением — полным, неполным и частичным;
• способу подачи воздуха: с принудительной подачей воздуха от вентилятора; путем инжектирования воздуха газовой струей; за счет разрежения в топке;
• давлению газа перед горелками: низкого — до 5 кПа (500 мм вод. ст.); среднего — до критического перепада давлений (разности давлений в горелке и топке), при котором скорость газа и расход газа достигают максимальных (критических) значений; высокого — при критическом и сверхкритическом перепаде давлений (скорость ис- течения и расход газа при этом максимальны и не растут даже при увеличении давления);
• степени автоматизации управления горелками: с ручным управлением, полуавтоматические, автоматические;

•  скорости истечения топливовоздушной смеси из горелки:

низкая — до 20 м/с, средняя — 20…70 м/с, высокая — более 70 м/с.

1.2.  Принципы сжигания газа. Характеристики факела

В зависимости от способа подачи в топочную камеру газа и воздуха и условий их смешения различают следующие варианты организации процесса горения: с внешним (после горелки) смешением газа и воз- духа (диффузионный принцип горения); с полным предварительным (в горелке) смешением до образования однородной смеси (кинетический принцип горения); с неполным предварительным смешением без образования однородной смеси; с частичным предварительным смешением с образованием однородной смеси, но с недостатком окислителя вначальной смеси (последние два варианта смешанного типа, реализующего диффузионно-кинетический принцип сжигания).

Для сжигания природного газа требуется определенное время

t_г, которое складывается из времени t_см смешения газа с воздухом,

а — диффузионный; б — кинетический; в — диффузионно-кинетический принцип сжигания газа в горелках с неполным предварительным смешением;

г — то же, в горелках с частичным предварительным смешением времени t_н нагрева газовоздушной смеси до температуры воспламене- ния и времени t_х.р, необходимого для протекания собственно химичес- ких реакций горения:

t_г = t_см + t_н + t_х.р.

Первые два временных периода составляют физическую стадию процесса горения t_физ = t_см + t_н, а период t_х.р — химическая стадия процесса горения.

На рис. 3.1, а показана схема организации диффузионного при- нципа сжигания газа. В этом случае газ и воздух в пределах горелки не контактируют, смешение компонентов горения осуществляется в топочной камере. Для диффузионного принципа сжигания t_физ > t_х.р, процесс горения при этом затягивается и при достаточном для сжигания количестве воздуха получается относительно длинный светящийся факел ярко-соломенного цвета. Сгорание топлива идет в тонком поверхностном слое факела (фронт горения), к которому из внутренней части факела поступает газ, а из топки — воздух.

При реализации кинетического принципа сжигания (рис. 3.1, б) наиболее длительная часть процесса — смешение топлива с окислителем т_см — происходит в горелке. При этом t_хр > t_физ, т.е. t_г » t_х.р. При доста- точной температуре в топке горение топлива протекает очень быстро, образуется короткий факел в виде голубого прозрачного конуса. Сгорание топлива происходит на поверхности этого конуса, называемой фронтом кинетического горения.

При реализации диффузионно-кинетического принципа сжигания  в горелках с неполным и частичным предварительным смешением протяженность периодов физической и химической стадий процесса соизмеримы t_физ » t_х.р, факел имеет два фронта горения: кинетический в виде голубого прозрачного конуса и диффузионный фронт горения, в котором происходит догорание топлива в прозрачном факеле бледно-голубого цвета.

1.3.  Диффузионные горелки

В этих горелках газ смешивается с воздухом преимущественно в топке вследствие взаимной диффузии (взаимного проникновения) газа и воздуха на границе истекающего потока. Разновидностью диффузи- онных горелок является подовая горелка , которая состоит из газового коллектора S Æ32…80 мм, изготовленного из стальной трубы, заглушённой с одного торца, имеющего два ряда отверстий Æ1…3 мм, просверленных под углом 60…120° одно относительно другого. Газовый коллектор установлен в щели 4, выполненной из огнеупорного кирпича, опирающегося на колосниковую решетку 3. Через отверстия в коллек- торе газ выходит в щель, равномерно распределяясь по ее длине. Воздух для горения поступает в ту же щель через колосниковую решетку за счет разрежения в топке или принудительно с помощью вентилятора. В процессе работы щель разогревается и обеспечивает стабилизацию пламени на всех режимах работы горелки. Подовые горелки могут работать при низком и среднем давлении газа. Они используются в секционных котлах, котлах ТВГ, КВ-Г, ДКВР.

1.4.  Инжекционные горелки низкого и среднего давления

Инжекционная газовая горелка низкого давления . По принципу организации смешения газа с воздухом такая горелка относится к горелкам с частичным предварительным смешением.

Струя газа под давлением выходит из сопла 1 с большой скоростью и за счет своей энергии захватывает в конфузоре S воздух, унося его внутрь горелки. Смешение газа с воздухом происходит в смесителе, состоящем из конфузора S, горловины 3 и диффузора 4. Разрежение, создаваемое инжектором, будет возрастать с увеличением давления газа, и при этом будет изменяться количество подсасываемого пер- вичного воздуха (30…70%), необходимого для полного сгорания газа. Количество воздуха, поступающего в горелку, можно изменять при помощи регулятора S первичного воздуха, представляющего собой шайбу, вращающуюся на резьбе. При вращении регулятора изменяется расстояние между шайбой и конфузором, и таким образом регулируется подача воздуха. Полное сгорание топлива обеспечивается за счет части воздуха, засасываемой под действием разрежения в топке. Регулирование расхода этого вторичного воздуха осуществляется путем изменения разрежения в топке. Инжекционные горелки низкого давления выполняются с огневыми насадками 5 разной формы.

Инжекционные горелки обладают свойством саморегулирования, т.е. обеспечивают постоянство соотношения между количеством поступающего в горелку газа и количеством подсасываемого им первичного воздуха. Отсюда следует, что если подача воздуха в горелку при помощи шайбы будет отрегулирована по цвету пламени или показанию газоанализатора на полное сгорание газа и горелка работает спокойно без шума, то дальнейшее изменение ее нагрузки можно проводить, только увеличивая или уменьшая подачу газа, не меняя положения воздушной шайбы. Изменяя режим работы горелки, необходимо следить за устойчивостью ее пламени, так как на характер горения газа влияет количество не только первичного, но и вторичного воздуха, поступающего в топку, а также изменение тяги.

Инжекционная горелка среднего давления (ИГК) конструк- ции Ф.Ф. Казанцева с полным предварительным смешением устойчиво работает при давлении газа 2…59 кПа (200…6 000 мм вод. ст.).

В инжекционной горелке ИГК с пластинчатым стабилизатором 1 горения  газ поступает в горелку через газовое сопло 4 и ин- жектирует воздух в необходимом для сжигания количестве. В смесителе S, состоящем из конфузора, горловины и диффузора, осуществляется полное смешение газа с воздухом.

Пластинчатый стабилизатор 1 в конце диффузора обеспечивает устойчивую работу горелок без отрыва и проскока пламени в широком диапазоне нагрузок. Стабилизатор состоит из стальных пластин, рас- положенных на расстоянии 1,5 мм, одна от другой. В такой конструкции на пути движения газовоздушной смеси создается зона обратных токов горячих продуктов сгорания, которые непрерывно поджигают газовоздушную смесь. Фронт пламени удерживается на определенном расстоянии от устья горелки.Регулирование подачи воздуха осуществляется с помощью регулятора 3, на внутренней поверхности которого наклеен шумопоглощающий материал.

В регуляторе выполнено смотровое окно 5 для наблюдения за целостностью стабилизатора.

Вследствие хорошего перемешивания газа с воздухом горелки дают малосветящийся факел и обеспечивают полное сгорание газа при малых коэффициентах расхода воздуха a » 1,05. К достоинствам инжекционных горелок относятся простота конструкции; устойчивая работа при изменении нагрузок; надежность работы и простота обслу- живания; отсутствие специального устройства для подачи воздуха (т.е. вентилятора, электродвигателя для его привода, воздухопроводов к горелкам) и, наконец, саморегулирование, т.е. поддержание постоянного соотношения газ — воздух.

Недостатками инжекционных горелок являются значительные габаритные размеры по длине (длина горелки ИГК-250-00 производи- тельностью 135 м³/ч — 1,9 м); высокий уровень шума у инжекционных горелок среднего давления при истечении газовой струи и инжек- тировании воздуха; зависимость количества вторичного воздуха от разрежения в топке (для инжекционных горелок низкого давления); плохие условия смесеобразования в топке (необходимо существенно увеличивать общий коэффициент расхода воздуха для обеспечения полного сгорания до значений a = 1,3 —1,5 и даже выше).