Лекция 10 2 Газовые горелки Газовая горелка горелка

Лекция 10. 2 Газовые горелки Газовая горелка (горелка) — устройство, обеспечивающее подачу опре делённого количества горючего газа и окислителя (воздуха или кислорода), со здание условий смешения их, транспортировку образовавшейся смеси к месту сжигания и сгорание газа. Есть горелки, у которых к месту сгорания подается только газ или газ и воздух, но без их предварительного смешения внутри го релки. Требования, предъявляемые к горелкам: создание условий для полного сгорания газа с минимальными избытком возду ха и выходом вредных веществ в продуктах сгорания; обеспечение необходимой теплопередачи и максимального использования теп лоты газового топлива; наличие пределов регулирования, не меньших, чем требуемое изменение теп ловой мощности агрегата; отсутствие сильного шума, уровень. которого не должен превышать 85 д. Б; простота конструкции, удобство ремонта и безопасность в эксплуатации; возможность применения автоматики регулирования и безопасности; соответствие современным требованиям промышленной эстетики. Горелки должны проходить государственные испытания, соответствующие ГОСТ 29134 – 97* (Горелки газовые промышленные. Методы испытаний), и из готовляться на специализированных заводах по межведомственным нормалям

и техническим условиям к ним. Допускается применение импортных горелок. Все горелки должны быть сертифицированы и иметь разрешение Ростехнадзо ра на их применение. Основные технические характеристики горелок. Тепловая мощность Q, к. Дж/ч, количество теплоты, выделяющейся при полном сгорании часового расхода газа, проходящего через горелку: Q = Qн Vг , где Qн низшая теплота сгорания газа, к. Дж/м 3; Vг – расход газа, м 3/ч. Различают номинальную, максимальную и минимальную тепловую мощ ность горелок. Номинальная тепловая мощность максимально достигнутая мощность при длительной работе горелки с минимальным коэффициентом из бытка воздуха и при допустимой по установленным нормам химической не полноте сгорания. Минимальная тепловая мощность определяет тот нижний предел работы горелки с коэффициентом избытка воздуха, равным 1, 1, при котором горелка работает устойчиво. Максимальная тепловая мощность сос тавляет 0, 9 от мощности, соответствующей верхнему пределу работы горелки. Нижний и верхний пределы работы горелки определяются в результате испы таний по отрыву, проскоку пламени, устойчивому горению газа в тепловом аг регате и полноте сгорания. Коэффициенты избытка воздуха, равные 1, 1 и 0, 9, предусматривают необходимость полной надежности работы горелок в преде лах от минимальной до максимальной тепловой мощности. Коэффициент предельного регулирования К п. р. по тепловой мощности

(диапазон устойчивой работы горелки) отношение максимальной тепловой мощности горелки к минимальной. Этот параметр определяет, в каких пределах может изменяться тепловая мощность горелки при устойчивой и безопасной ее работе. При выборе горелок для тепловых агрегатов необходимо, чтобы ее коэф фициент предельного регулирования был равен допустимому изменению тепло вой мощности агрегата или больше него. Коэффициент рабочего регулирования Кр. р. отношение номинальной теп ловой мощности горелки к минимальной. Давление газа и воздуха перед горелкой р, Па, подразделяется на номинальное, максимальное и минимальное. Номинальное соответствует номинальной теп ловой мощности, максимальное и минимальное соответственно максимальной и минимальной тепловой мощности горелки. Удельная металлоемкость т, кг/к. Вт, отношение массы горелки к ее номи нальной тепловой мощности. Этот показатель позволяет для однотипных горе лок выбирать наименее металлоёмкие (при прочих одинаковых технических по казателях). Шумовая характеристика уровень звукового давления, создаваемого при работе горелки в зависимости от спектра частот. Уровень шума горелок, работа ющих во всем допустимом диапазоне изменения расхода, не должен превышать 85 д. Б на расстоянии 1 м от горелки и на высоте 1, 5 м от пола. Номинальная относительная длина факела расстояние по оси факела от вы ходного сечения горелки, измеренное при работе с номинальной тепловой мощ

ностью в калибрах выходного сечения до точки, где концентрация СО 2 при ко эффициенте избытка воздуха α = 1 составляет 95% от максимального значения. Давление (разрежение. ) в камере сгорания (Па) давление (разрежение) в ка мере сгорания в зоне выходного сечения горелки при номинальной тепловой мощности. Коэффициент избытка первичного воздуха α 1 показывает, какая часть воздуха от теоретически необходимого для сгорания газа подается в горелку предвари тельно (до пламени). Коэффициент избытка вторичного воздуха α 2 показывает, какая часть воздуха от теоретически необходимого для сгорания газа подается непосредственно к пламени из окружающего пространства. Объемный коэффициент инжекции, или кратность инжекции, п показывает от ношение объемного количества подсасываемого горелкой первичного воздуха к объемному расходу газа. К дополнительным характеристикам, уточняющим основные параметры, от носятся диаметр газового сопла и выходного отверстия горелки, допустимые температуры газа и воздуха, теплота сгорания и плотность сжигаемого газа, угол раскрытия факела, способ стабилизации горения, интенсивность крутки, геомет рические размеры горелки и др. Приведенные выше термины и определения приняты в соответствии с требо ваниями ГОСТ 17356— 89*.

Классификация горелок. В соответствии с ГОСТ 21204— 97* по способу подачи воздуха и коэффи циенту избытка первичного воздуха α 1 горелки могут быть разделены на диф фузионные (α 1 = 0), инжекционные (α 1 > 1 и α 1 < 1), с принудительной подачей воздуха (дутьевые). Приведённая классификация, не являясь исчерпывающей, удобна своей простотой и привычностью, а также тем, что она характеризует основные признаки распространённых горелок. Диффузионные горелки (рис. 1, а). А-А Воздух А Газ Рис. 1 а

Это наиболее простые устройства, представляющие собой трубу с просвер ленными отверстиями. Газ вытекает из отверстий, а необходимый для горения воздух (в качестве вторичного) притекает полностью из окружающей среды. На диффузионных горелках процессы смешения газа с воздухом и горение со вершаются параллельно на выходе газа из горелки. Особенности диффузионных горелок: обеспечение сжигания газа по диффузионному принципу; длинное пламя со сравнительно невысокой температурой (при использовании в качестве топлива углеводородных газов пламя желто белого цвета. В верх ней части факела появляются сажистые частицы — копоть); - наличие в продуктах сгорания несгоревших частиц топлива (химическая не полнота сгорания, или химический недожог, особенно при сжигании высоко калорийных газов); необходимость иметь большой объем топочной камеры. Достоинствами горелок этого типа являются малогабаритность и простота конструкции, удобство и безопасность эксплуатации, высокая устойчивость пламени без проскока и отрыва, высокая степень черноты пламени, широкий диапазон. регулирования тепловой мощности и др. К недостаткам горелок от носятся повышенный по сравнению с другими видами горелок коэффициент избытка воздуха, ухудшение условий догорания газа и выделение при сжига нии углеводородных газов продуктов неполного сгорания. Диффузионные горелки применяют для сжигания искусственных газов (слан

цевый, коксовый, водяной, генераторный и др. ), причем на сжигание 1 м 3 горю чего газа требуется небольшое количество воздуха. Как правило, это горелки с небольшими расходами газа. Кроме того, в горелках этого типа можно сжигать природные и сжиженные углеводородные газы на производствах, где требуется длинный светящийся (коптящий) факел с равномерной температурой по его длине: печи мартеновские, цементные, стекловаренные, печи для получения га зовой сажи и др. В отдельных случаях они незаменимы, например в высоко температурных плавильных печах, где требуется растянутый факел с высокой степенью черноты. А это возможно при подогреве воздуха, необходимого для горения, до 1000— 1100 °С, т. е. до температуры, превышающей температуру самовоспламенения газовоздушной смеси. Предварительное смешение газа с воздухом в таких условиях неосуществимо. Диффузионные газовые горелки для сжигания природных и сжиженных углеводородных газов в настоящее время широко не применяют из за того, что для полного сжигания газа они требуют большого количества воздуха. Инжекционные горелки. Это горелки, у которых необходимый для горения воздух поступает полностью (α 1 > 1) или частично (α 1 < 1) в качестве первично го, а подача его осуществляется за счет кинетической энергии струи газа, выте кающего из сопла. У этих горелок процессы смешения газа с воздухом и горе ния полностью или частично разделены. Инжекционные горелки обеспечивают хорошее смешение газа с воздухом. В зависимости от коэффициента избытка первичного воздуха α 1 они делятся на две группы: с α 1 > 1 и α 1 < 1.

Инжекционные горелки с α 1 > 1 (рис. 1. б). 2 6 1 3 4 5 Газ Рис. 1 б. Первичный воздух (α 1. >1) Рис. 1 б. 1 – сопло; 2 – инжектор; 3 – горловина; 4 – диффузор; 5 – насадок. Газ, вытекая из сопла с большой скоростью за счет кинетической энергии струи, засасывает в инжектор из окружающего пространства воздух в количест ве, необходимом для полного сгорания газа. Интенсивное смешение газа с воз духом осуществляется в горловине и завершается в диффузоре, в котором од новременно происходит повышение статического давления за счет плавного снижения скорости газовоздушного потока. Выравнивание скоростей происхо дит в конфузорном огневом насадке, где на выходе скорость смеси за счет по вышения статического давления доводится до обеспечивающей устойчивую ра боту горелки в заданном диапазоне регулирования ее тепловой мощности. Ко личество поступающего воздуха в горелку может изменяться при помощи регу

лятора первичного воздуха, обычно имеющего вид шайбы, вращающейся на резьбовой поверхности сопла. При полностью открытом регуляторе коэффици ент избытка первичного воздуха в основном зависит от отношения диаметров горловины и сопла. Инжекционные горелки с α 1 > 1 не требуют подвода вто ричного воздуха (α 2 = 0); обеспечивают сжигание газа по кинетическому прин ципу; имеют короткое пламя с высокой температурой; обеспечи вают врабочем диапазоне автоматичность соотношения газ - воздух, т. е. постоянство α 1 незави симо от изменения давления газа; создают возможность работы в топках с не большим противодавлением (до 20 Па), что позволяет их устанавливать в камер ных нагревательных печах; обладают низкой устойчивостью к проскоку и отры ву пламени. Требуют применения стабилизаторов пламени. Диапазон устойчивой работы инжекционных горелок с α 1 > 1 определяется исходя из следующего условия: минимальная тепловая мощность Qmin достига ется при расходе газа, который создает скорость выхода газовоздушной смеси из насадка горелки, равную скорости распространения пламени или несколько превышающую её, т. е. предотвращающую проскок пламени. Таким образом, во всем рабочем режиме горелки имеет место отрыв пламени, для предотвращения которого их оснащают стабилизаторами пламени, обеспечивающими постоян ное поджигание вытекающей из насадка газовоздушной смеси. Конфигурация смесителя горелки (диффузор, горловина и конфузор по типу трубы Вентури) обеспечивает хорошее смешение газа с воздухом и создание до горения одно родной газовоздушной смеси, что позволяет полностью сжигать газ с минималь

ными избытками воздуха (α 1 = 1, 02÷ 1, 05). Розжиг большинства инжекционных горелок с α 1 > 1 осуществляют с прик рытым регулятором первичного воздуха, так как для предотвращения проскока пламени во время пуска газа приходится переходить на режим, когда скорость распространения пламени будет превышать скорость газовоздушной смеси в насадке. Для того, чтобы исключить проскок пламени во время розжига, умень шают подачу воздуха, что делает первичную смесь негорючей. В пусковой пе риод, протекающий очень быстро, дожигание горючего газа происходит за счет вторичного воздуха, после чего регулятор первичного воздуха полностью от крывается. Инжекционные горелки с α 1 > 1, как правило, работают на среднем давле нии газа (10— 90 к. Па). Максимальное давление ограничивается верхним преде лом докритических скоростей истечения, , который для природного газа дости гается при давлении 90 к. Па. При докритических скоростях истечения газа из сопла горелки постоянство коэффициента α 1 сохраняется, если давление в топ ке равно атмосферному или давлению инжектируемого воздуха. Если же топка, в которой установлена горелка, работает под разрежением или давлением, пре вышающем атмосферное, количество инжектируемого воздуха соответственно увеличивается или уменьшается. Устойчивость пламени на инжекционных горелках достигается при отрыве применением стабилизаторов горения в виде огнеупорных туннелей, кольце вых зажигательных поясков или тел плохообтекаемой формы, а при проскоке

значительной скоростью выхода газовоздушной смеси. Инжекционные горелки с α 1 > I устанавливают на промышленных и быто вых теплоагрегатах. Широко применяют инжекционные горелки с максималь ным расходом газа до 100 м 3/ч. Для больших расходов эти горелки становятся громоздкими и металлоёмкими и применение их, компоновка на теплоагрегатах усложняются. Инжекционные горелки с α 1 < 1 (рис. 1, в). 6 2 5 Газ 1 3 4 Первичный воздух (α 1<1). 7 Вторичный воздух (α 2) Рис. 1 в. 1 – сопло; 2 – инжектор; 3 – горловина; 4 – диффузор; 5 – воздушная заслон ка; 6 огневые отверстия; 7 коллектор. Выбор значения α 1 для этих горелок зависит от диапазона устойчивой рабо ты их, который определяется по режиму работы теплоагрегата. В подавляю щем большинстве инжекционные горелки с α 1 < I работают на низком давлении газа (до 2 к. Па). При этих условиях энергия струи газа, вытекающей из сопла в

инжектор, недостаточна, чтобы обеспечить большую выходную скорость газо воздушной смеси в насадке горелки или в огневых отверстиях, превышающую скорость распространения пламени. Поэтому максимальная тепловая мощность этих горелок, как правило, определяется скоростью отрыва пламени, т. е. ско рость выхода газовоздушной смеси принимается равной или меньшей скорости распространения пламени. А так как горелки должны иметь достаточно широ кий диапазон изменения тепловой мощности, приходится выбирать такое значе ние α 1, чтобы первичная газовоздушная смесь была не горючая. Тогда проскок пламени при уменьшении расхода будет отсутствовать. Инжекционные горелки с а 1 < 1 обладают следующими особенностями: требуют организованного подвода вторичного воздуха; топки, где устанавливают эти горелки, должны иметь разрежение; обеспечивают сжигание газа по промежуточному принципу, т. е. начало горе ния кинетическое, а окончание диффузионное; имеют большую, чем горелки с α 1 > 1, длину и меньшую температуру пламе ни; имеют большую устойчивость к отрыву и проскоку пламени, что, как правило, не вызывает необходимости применять стабилизаторы пламени. Полное сгорание газа в этих горелках можно обеспечить только при подаче вторичного воздуха, при этом общий коэффициент избытка воздуха должен быть не менее α = α 1 + α 2 = 1, 15÷ 1, 20. Инжекционные горелки могут иметь различные насадки.

Горелки с принудительной подачей воздуха (дутьевые). Воздух 2 3 1 Газ 4 5 Рис. 1 г. 1 – насадок; 2 – газораспределительное устройство; 3 – завихритель; 4 – отверс тия для выхода газа; 5 – корпус. Воздух, необходимый для горения, нагнетается в горелки принудительно вентилятором, воздуходувкой или компрессором. Газ из газопровода подается в газораспределительное устройство, а из него через сопла вытекает в закру ченный поток воздуха. Здесь происходит смешение газа с воздухом. Подготов ленная газовоздушная смесь выдается через насадок к месту сжигания. Эти го релки, как и инжекционные горелки с α 1 > 1, оснащены стабилизаторами пла мени. К особенностям горелок этого типа относятся: 1) возможность создавать горелки на любые расходы газа; 2) возможность использовать теплоту предва

рительно подогретого (подаваемого для горения) воздуха; 3) возможность обес печить сжигание газа как по кинетическому, так и по промежуточному принци пу (в зависимости от вида смесителя); 4) возможность работать при любом дав лении в топке; 5) необходимость устанавливать клапан блокировки, отключаю щий подачу газа при прекращении подачи воздуха; 6) наличие воздуховодов (кроме газопроводов) в системе обвязочных коммуникаций теплоагрегата; 7) необходимость в рабочем режиме регулирования соотношения расходов газа и воздуха для поддержания заданного коэффициента избытка воздуха; 8) мень шая удельная металлоемкость по сравнению с инжекционными горелками; 9) обладание, как правило, большим коэффициентом предельного регулирования. Смешение газа с воздухом зависит от конструкции как самой горелки, так и ее смесителя. Регулировать длину пламени можно, изменив качество смешения газа с воз духом. Чтобы сократить длину пламени, надо обеспечить хорошее предвари тельное смешение. Это достигается за счет удлинения участка смешения; уве личения разности скоростей газа и воздуха, а также поверхности соприкоснове ния газовых струй с воздушным потоком; направления потоков газа и воздуха под углом; выдачи газовых струй в закрученный поток воздуха. На рис. 2 при ведены различные схемы горелок с принудительной подачей воздуха. По схеме I газ и воздух к месту сгорания подаются раздельно, параллельными широкими потоками примерно с равными скоростями. Смешение происходит крайне мед ленно. Горение близко к диффузионному. Пламя длинное, при сжигании угле

водородных газов светящееся, имеет невысокую температуру. В схеме II повер хность соприкосновения потоков газа и воздуха увеличена за счет подачи газа внутри воздушного потока (горелка типа «труба в трубе» ). Длина пламени сок ращается. Еще большее сокращение длины пламени достигается, если обеспе чить некоторое предварительное смешение газа с воздухом (схема III). Улучше ние предварительного смешения газа с воздухом достигается установкой в го релке завихрителя, закручивающего поток воздуха (схема IV). Для увеличения площади соприкосновения газа с воздухом вместо одного крупного газовы пускного отверстия делают много мелких под углом к предварительно закру ченному потоку воздуха (схема V). Это приводит к образованию более равно мерной газовоздушной смеси, что обеспечивает горение, близкое к кинетичес кому, а также короткое пламя с высокой температурой. Смешение можно еще более улучшить, если газ в закрученный поток воздуха подавать не только с центра, но и с периферии (схема VI), обеспечивая равномерное распределение газовых струй в сносящем потоке воздуха. Закручивание воздушного потока может осуществляться лопаточным направляющим аппаратом, улиткой, тан генциальным подводом к горелке и др.

ок с принудительной подачей воздуха. Рис. 2.

Токсичные вещества при сжигании газа. При сжигании различных видов топлива могут образовываться вещества, за грязняющие воздушный бассейн: зола, сажа, оксиды серы, оксид углерода, ок сиды азота, ароматические и канцерогенные вещества (бензапирен). Канцерогенные вещества относятся к ароматическим полициклическим уг леводородам, наиболее распространённым и сильно действующим из которых является бензапирен (С 20 H 12). Канцерогенные вещества способствуют раковым заболеваниям. Они образуются при неполном сжигании твердо го и жидкого то плива. При полном сжигании природного газа можно исключить образование бен запирена. При сжигании газа не образуются твердые частицы. Если природный газ содержит сероводород, то его обязательно очищают от сероводорода, исключая возможность образования оксидов серы при сжигании. В настоящее время созданы и внедрены такие конструкции газогорелочных устройств, которые дают возможность полностью сжигать газовое топливо и уменьшить содержание СО в уходящих газах до допустимой нормы. Оксид углерода очень токсичен: попадая в легкие, он соединяется с гемогло бином крови и кровь теряет способность усваивать кислород. В связи с тем что способность крови воспринимать оксид углерода в 200 раз больше, чем способ ность воспринимать кислород, то даже малые концентрации оксида углерода опасны. По санитарным нормам, предельно допустимая концентрация СО в воздухе

рабочей зоны составляет 20 мг/м 3, а при использовании газа для коммунально бытового потребления — 2 мг/м 3. Оксид углерода образуется при неполном сго рании газа. Основными загрязнителями воздушного бассейна, которые сохраняются и при сжигании газа, являются оксиды азота. В пламени, в зоне высоких температур, при наличии кислорода азот воздуха соединяется с ним, образуя оксид NO, представляющий собой токсичное веще ство. При температурах 1500. . . 1800ºC концентрации NO могут быть значитель ными. Горячие газы, выбрасываемые в атмосферу, охлаждаются, и значительная часть NO превращается в диоксид азота NO 2; оксиды азота оказывают вредное действие на органы дыхания человека, вызывают раздражающее действие на легкие, приводящее к развитию отёка легких. При значительных концентрациях (более 0, 054 мг/л) имеют место тяжелые отравления, вплоть до смертельного ис хода. Вредное воздействие объясняется соединением оксидов азота с влагой ды хательных путей и образованием азотистой и азотной кислоты. По степени воз действия на организм человека оксиды азота относятся к высокоопасным веще ствам. Предельно допустимая концентрация диоксида азота в рабочей зоне со ставляет 5 мг/м 3. При одинаковой концентрации оксиды азота более вредны, чем оксид углерода. Рассмотрим условия образования оксидов азота и способы снижения их кон центрации в продуктах сгорания. Оксид азота NO образуется в зоне высоких тем ператур при наличии свободного кислорода. При низкой температуре до 1000. . .

1300ºC наблюдается небольшое образование оксида азота. Более высокие тем пературы характерны для топочных камер котлов и промышленных печей. Та ким образом, газы, уходящие из высокотемпературных топок, являются одни ми из основных загрязнителей окружающего воздуха оксидами азота. Природный газ не содержит азота. Оксиды азота образуются из азота, со держащегося в воздухе, участвующем в процессе горения. Кинетика образова ния NO при горении была изучена академиком Я. Б. Зельдовичем. Им установ лено, что основными факторами, влияющими на выход NO, являются: концен трации кислорода и азота в зоне высоких температур, температуры при образо вании NO и время пребывания реагирующей смеси в зоне образования NO. Влияние концентрации кислорода и азота на образование NO может быть охарактеризовано избытком воздуха в топке αт. Максимальный выход NO соот ветствует области избытка воздуха в топке αт ≈1, 2. Наличие максимума объяс няется тем, что увеличение концентрации кислорода способствует более актив ному протеканию процесса окисления азота, но вместе с тем при увеличении значения αт температура в зоне горения понижается, в результате чего нтенсив ность образования NO уменьшается. При величине αт >l, 2 последний фактор оказывает большее влияние, что приводит к уменьшению выхода NO. Сжига ние газа при малых коэффициентах избытка воздуха αт = 1, 02. . 1, 05 позволяет снизить содержание в продуктах горения оксидов азота. Температурный уровень процесса определяется в значительной мере тепло вым напряжением объема камеры сгорания. С увеличением тепловых нагрузок

температура в топке растет и прочих равных условиях увеличивается коли чество оксидов азота в продуктах сгорания. Отмеченные выше положения были неоднократно подтверждены экспериментально многими исследователями. Учитывая неравномерность как в физических процессах образования смеси и ее подогрева, так и температурную неравномерность в горящем факеле, сле дует особое внимание уделять отсутствию в объеме топки локальных зон с мак симальными температурами и концентрациями кислорода, ибо в этих зонах и происходит наиболее интенсивное образование окислов азота. Лучшая отдача теплоты из факела снижает его температуру и тем самым уменьшает интенсив ность образования NO.