
- •1. Классификация газовых горелок
- •2. Методы снижения концентраций оксидов азота в продуктах горения, применяемые при проектировании газогорелочных и
- •3. Горелки полного предварительного смешения газа с воздухом
- •4. Горелки предварительного смешения газа с частью воздуха, необходимого для горения
- •5. Горелки с незавершенным предварительным смешением газа с воздухом
- •11. Многоструйная вихревая газовая горелка низкого давления конструкции Мос-газпроекта
- •16.6. Горелки без предварительного смешения газа с воздухом
ЛР 6.
Газовые горелки и их основные характеристики
1. Классификация газовых горелок
Процесс горения газа состоит из трех последовательно протекающих стадий. Первая стадия представляет собой процесс смесеобразования, в результате которого обеспечивается физический контакт между топливом и окислителем. Вторая стадия — это подогрев смеси до температуры воспламенения. Третья стадия — химическая, в этой стадии протекают реакции горения газа. При сжигании заранее приготовленной газовоздушной смеси суммарная скорость процесса будет определяться скоростью подогрева и горения смеси. В этом случае стадия смесеобразования исключена, и горение протекает по кинетическому принципу.
Приготовленная смесь должна иметь однородный состав с некоторым избытком воздуха (α>1). Таким образом, процесс кинетического горения определяется свойствами горючей смеси: энергией активации, концентрацией реагирующих веществ, коэффициентами теплопроводности и температуропроводности, т. е. физическими и кинетическими свойствами газовоздушной смеси. При горении в ламинарном потоке эти свойства полностью определяют интенсивность процесса. При горении в турбулентном потоке на суммарную скорость процесса начинают влиять турбулентные его характеристики, которые зависят от скорости потока, причем тем в большей степени, чем сильнее турбулизация потока. Кинетический процесс горения характеризуется малой устойчивостью, поэтому при сжигании газа таким способом необходимо применять приемы искусственной стабилизации фронта воспламенения.
Если газ и воздух предварительно не перемешивают, а подают в горелку раздельно, смесеобразование протекает одновременно с горением, и скорость процесса горения в целом определяется скоростью течения физической стадии, т.е. скоростью смесеобразования, ибо в этом случае «узким» местом процесса будет возникновение контакта между газом и воздухом. Такую область горения называют диффузионной, так как необходимый для процесса горения контакт между газом и воздухом осуществляется за счет молекулярной или турбулентной диффузии.
При сжигании газа по диффузионному принципу процесс смесеобразования совмещается с процессом горения в единую поточную систему. Как только достигается контакт между газом и воздухом и образуется горючая смесь необходимого состава, сразу же начинается процесс горения. При высоких температурах, господствующихв топочном пространстве, скорость химических реакций несоизмеримо больше скорости процесса смесеобразования, поэтому суммарная скорость процесса в целом определяется скоростью образования горючей смеси. Таким образом, скорость диффузионного горения определяется аэродинамическими, диффузионными факторами и практически не зависит от физических и кинетических свойств смеси.
Рассмотренные два способа организации процесса горения газа являются крайними случаями, так как при кинетическом горении равномерная газовоздушная смесь приготовляется заранее, а при чисто диффузионном горении смесь заранее не приготовляется и искусственно не интенсифицируется, а протекает за счет естественных процессов молекулярной или турбулентной диффузии. Между этими крайними способами располагается множество процессов организации горения по диффузионно-кинетическому принципу, когда процесс смесеобразования интенсифицируется специальными приемами. При максимальной интенсификации смесеобразования в горелке до выхода в топку можно предельно приблизиться к кинетическому процессу и,наоборот, максимально затягивая смесеобразование и перенося его в топку, можно получить предельно вытянутый, чисто диффузионный факел. Таким образом, диффузионно-кинетическое горение можно рассматривать как общий случай, границы которого будут представлены чисто кинетическим или чисто диффузионным горением. Достоинством диффузионно-кинетического метода сжигания газа является возможность регулирования процесса в широком диапазоне.
Для повышения интенсивности процесса смесеобразования применяют следующие основные способы:
а) струйная подача газа в прямой поток воздуха под прямым или близким к прямому углом. Если располагать струйки газа на определенном расстоянии до выхода в топку, можно добиться близкого к завершению процесса смесеобразования до поступления потока в зону горения, короткого и прозрачного факела;
б) закручивание воздушного потока при струйной подаче газа повышает интенсивность смесеобразования, раскрывает факел и сокращает его длину;
в) наивыгоднейшее расположениеструек газа, выбор их размеров и отыскание оптимальных скоростей газа и воздуха позволяют получить факел требуемых характеристик. Оптимизация скоростей в спутных потоках газа с воздухом также позволяет получить желаемую интенсивность смесеобразования;
г) интенсивность смесеобразования можно повысить искусственной турбулизацией потоков.
Интенсификация смесеобразования приближает горение к кинетическому способу, и факел делается менее устойчивым. Диффузионный процесс горения характеризуется большей устойчивостью, чем кинетический, однако при больших форсировках и при диффузионном горении приходится применять искусственные приемы стабилизации фронта горения.
Находит применение и двухступенчатый принцип сжигания газа, когда горелка обеспечивает предварительное смешение газа только с частью необходимого воздуха, а остальной воздух поступает непосредственно к факелу. В этом случае кинетически выгорает только часть газа, смешанная с первичным воздухом. Оставшаяся часть газа, разбавленная продуктами горения, выгорает за счет кислорода вторичного воздуха, т.е. по диффузионному принципу. В частности, такой метод сжигания используется в атмосферных горелках. Факельное горение можно легко регулировать изменением коэффициента первичного воздуха. Так, уменьшая коэффициент первичного воздуха до нуля, можно перейти к чисто диффузионному горению, а увеличивая его до единицы, можно обеспечить сжигание газа по кинетическому принципу.
Все стадии процесса горения (смесеобразование, подогрев и горение) осуществляются в газовой горелке и в камере горения. Основные функции газовой горелки сводятся к подаче газа и воздуха в топку, смесеобразованию, стабилизации фронта воспламенения, обеспечению требуемой интенсивности процесса горения газа и минимальных концентраций токсичных газов в продуктах горения.
Для смешения газа с воздухом горелка имеет смесительное устройство. Если горение осуществляется по кинетическому принципу, то смеситель представляет собой самостоятельный элемент, в котором приготовляется однородная газовоздушная смесь. Обычно это эжекционное устройство. При сжигании газа по диффузионно-кинетическому способу приготовление газовоздушной смеси начинается в горелке Процесс смешения протекает в результате внедрения струй газа в поток воздуха. Степень завершения процесса зависит от принятых параметров горелки. При активном смешении можно получить практически кинетический факел. Если смесеобразование не активизуется и начинается за пределами горелки — в топке, тогда горение газа будет протекать по диффузионному методу. В этом случае горелка создает только необходимые условия для смесеобразования и управляет им лишь путем воздействия на выходящие потоки газа и воздуха; сам же процесс смешения полностью происходит в топочной камере.
Другим элементом горелки является головка. Она обеспечивает выход газовоздушного потока в топочную камеру или воздушное пространство. Основное назначение головки — стабилизировать фронт воспламенения уже готовой или только что образовавшейся горючей смеси у устья горелки и предотвратить проскок и отрыв пламени.
Третий элемент горелки (огневая часть) представляет собой амбразуру или туннель, где частично или полностью протекает процесс горения. Огневая часть горелки одновременно служит и составной частью топочной камеры. Огневое устройство горелки создает устойчивый очаг зажигания и стабилизирует процесс горения, предотвращая отрыв пламени. Горелка может не иметь огневого устройства, в этом случае устойчивость факела полностью обеспечивается головкой, а сам факел располагается непосредственно в топке или в открытом пространстве. Строгого разграничения функций между отдельными элементами горелки, а также между горелкой и топкой провести нельзя, так как ряд операций выполняется совместно горелкой и топкой.
Интенсивность работы топочного устройства характеризуется двумя показателями: форсировкой и тепловым напряжением объема топки. Форсировка или тепловое напряжение поперечного сечения топки Q/F (Вт/м2) определяет производительность газогорелочной системы, которая в конечном счете зависит от стабилизации фронта воспламенения. Именно возможности стабилизации процесса определяют предельные форсировки горелки. Тепловое напряжение объема топки Q/V (Вт/м3) определяет компактность топочного устройства и зависит от скорости горения газа. Таким образом, оба показателя, взаимно дополняя друг друга, суммарно характеризуют интенсивность работы горелочного и топочного устройства.
Основным свойством горелки является осуществляемый ею метод сжигания газа, который в значительной мере зависит от степени подготовленности горючей смеси, выходящей из головки горелки. Именно этот признак следует рассматривать как основной и использовать для классификации горелок. По методу сжигания газа горелки можно разделить на четыре группы.
1) горелки полного предварительного смешения, работающие по кинетическому принципу;
2) горелки предварительного смешения газа с частью воздуха, необходимого для горения. У горелок этого типа газ смешивается с первичным воздухом до поступления в зону горения. В зоне высоких температур сразу начинается процесс горения газа, обеспеченного первичным воздухом. Вторичный воздух поступает из окружающей среды у горелок с открытым пламенем — атмосферных. У этих горелок реализуется бунзеновское пламя. При использовании этого принципа смесеобразования у промышленных горелок (в этом случае такой способ называют двухступенчатым сжиганием) вторичный воздух подается в топку, обычно к корню факела;
3) горелки с незавершенным предварительным смешением газа с воздухом, которые осуществляют диффузионно-кинетический принцип сжигания газа;
4)горелки без предварительного смешения газа с воздухом, работающие по диффузионному принципу.
Кроме основной классификации горелки можно различать по способу подачи воздуха, давлению газа, расположению горелки в топке и излучающей способности горелки.
По способу подачи воздуха горелки подразделяются на:
1) эжекционные, в которых воздух засасывается энергией газовой струи (эжектирование воздухом газа применяют весьма редко);
2) бездутьевые, у которых воздух поступает в топку вследствие разрежения;
3)дутьевые с подачей воздуха в топку с помощью вентилятора.
Эжекционные горелки также называются инжекционными. Основное назначение эжектора горелки состоит в засасывании необходимого количества воздуха из атмосферы. Это количество должно находиться в определенном соотношении с расходом газа, так как соотношение газа и воздуха в смеси зависит от осуществляемого метода сжигания газа. Засасывание, присоединение объемов газовой среды к активной струе называют эжекти-рованием (эжекцией). Отсюда первое название таких горелок. Вместе с тем эжекционная горелка должна подавать, продавливать полученную газовоздушную смесь через головку горелки, преодолевая ее аэродинамическое сопротивление, в топку или инжектировать поток в топку. Отсюда термин «инжекционные горелки». Мы будем пользоваться первым термином, который лучше соответствует основным функциям горелки.
По давлению газа горелки подразделяют на: горелки низкого давления (до 5 кПа) и горелки среднего давления (5...300 кПа). Горелки с более высоким давлением не получили широкого применения.