3. Горелки полного предварительного смешения газа с воздухом

Горелки полного предварительного смешения газа с воздухом бывают двух типов: с огнеупорными насад­ками и металлическими стабилиза­торами. Эти типы горелок исполь­зуют для обогрева промышленных пе­чей и производственно-отопительных котлов. Производительность горелки не превышает обычно 2 МВт. Основ­ные трудности при повышении мощ­ности горелки: сложность борьбы с проскоком пламени при больших диа­метрах кратера горелки и громозд­кость смесителей, имеющих большую производительность.

Горелки полного предварительного смешения газа с воздухом дают не­светящийся факел. Для увеличения количества радиационной теплоты, пе­редаваемой поверхностям нагрева, весьма эффективно применять вторич­ные излучатели, т. е. твердые тела, которые воспринимают теплоту от продуктов горения и излучают ее на тепловоспринимающие поверхности. В качестве вторичных излучателей следует использовать огнеупорные стенки каналов или туннелей, своды и стенки топок, а также специальные дырчатые перегородки, устанавлива­емые на пути движения газов и увели­чивающие количество радиационной теплоты. Существуют конструкции го­релок, которые передают радиацией до 55...60 % общего количества теп­лоты, выделяющейся при сжигании газа.

У большинства горелок полного предварительного смешения приготов­ление однородной газовоздушной сме­си осуществляется с помощью эжекционных смесителей (эжекторов). Обычно в качестве рабочей среды ис­пользуют горючий газ, который исте­кает из сопла с большой скоростью и обладает большим запасом кине­тической энергии. За счет энергии газа в эжектор засасывается воздух и¹ осуществляется процесс смесеобра­зования. Эжектор — одно из наиболее совершенных смесительных устройств, обеспечивающих полное выравнива­ние полей концентраций горючего и окислителя. Поток газовоздушной смеси, выходящей из эжекционного смесителя, обладает некоторым избы­точным давлением, необходимым для преодоления гидравлического сопро­тивления головки горелки и огнеупор­ного насадка. Эжекторы просты по конструкции и надежны в эксплуата­ции.

Одним из достоинств горелок с эжекционными смесителями является способность саморегулирования, т. е. сохранения коэффициента эжекции постоянным при изменении нагрузки горелки в определенных пределах. Следует отметить, что способность са­морегулирования проявляется не на всем диапазоне изменения нагрузок, причем повышение давления газа, по­догрев газа или воздуха, наличие раз­режения или противодавления в топ­ке и другие условия могут сокращать зону саморегулирования. Наряду с от­меченными положительными качества­ми эжекционные смесители имеют не­достатки: громоздкость конструкции при больших производительностях; шум, производимый эжекционным смесителем, особенно при работе на повышенных давлениях и при большой единичной производительности горел­ки.

Рис. 1 Схемы стабилизации пламени в туннеле

Горелки с огнеупорными насадками. Газовоздушная смесь у этих горелок приготовляется с не­большим избытком воздуха (а=1,05... ...1,1) и с выравненными полями кон­центраций горючего и окислителя по­ступает в раскаленный насадок, вы­полненный из огнеупорного материа­ла. В насадке смесь интенсивно подо­гревается, поджигается и сгорает. Как правило, пламя не выходит за гра­ницы насадка и на фоне огнеупо­ров его не видно; горение протекает без видимого пламени. Такой процесс сжигания газа иногда называют бес­пламенным. Как следует из изложен­ного, это название является неточ­ным, ибо в каналах насадка пламя имеется. Материал насадка должен быть огнеупорным и термостойким, способным выдержать высокие темпе­ратуры и термические напряжения, возникающие при неравномерном про­греве и охлаждении.

Смесь в каналах насадка подогре­вается главным образом раскаленны­ми продуктами горения. Зоны рецир­куляции горячих продуктов создают­ся в местах резких расширений кана­лов и вблизи тел плохо обтекаемой формы. Такие зоны являются мощны­ми и устойчивыми источниками подо­грева и зажигания смеси. Стенки огнеупорного насадка создают замк­нутый изолированный объем, в кото­ром протекает процесс горения. Под изоляцией в данном случае следует понимать тепловую изоляцию, значи­тельно сокращающую теплоотвод из реакционной зоны, как теплопровод­ностью через стенки насадка, так и излучением. Кроме тепловой изоляции туннель создает аэродинамическую изоляцию, которая позволяет факелу эжектировать к корню продуктов горения. Диаметр канала выбирают таким, чтобы обеспечить свободное развитие факела. Диаметр канала должен в 2,5 раза превышать диаметр кратера головки горелки, чтобы соз­дать условия для свободного расшире­ния продуктов горения. Стабилиза­ция пламени в туннеле путем возвра­та раскаленных продуктов горения аналогична процессу стабилизации пламени телами плохо обтекаемой формы. Схема стабилизации пламени в туннеле горелки показана на рис.1.

Сжигание заранее приготовленной газовоздушной смеси в огнеупорных насадках имеет ряд положительных качеств, основными из которых явля­ются: а) полное выгорание газа (от­сутствие химической неполноты сгора­ния); б) сжигание газа при ничтожно малых избытках воздуха; в) возмож­ность создания высоких температур. Эжекционная горелка полного пред­варительного смешения состоит из смесителя, головки и огнеупорного на­садка. В смесителе образуется газо­воздушная смесь с равномерными по­лями концентраций горючего и окисли­теля, которая поступает в головку го­релки. Головка выравнивает поле скоростей потока, направляет его в на­садок, стабилизирует пламя, предо­храняя его от проскока внутрь горел­ки, и конструктивно соединяет смеси­тельное устройство с насадком. Наса­док горелки является ее огневой частью, в которой протекает процесс горения, и одновременно составной частью топочного устройства. Огне­упорные каналы насадка стабилизи­руют горение, предотвращая отрыв пламени.

Горелки полного предварительного смешения с огнеупорными насадками по конструктивному оформлению их огневой части можно разделить на сле­дующие группы: 1) горелки, у кото­рых пламя стабилизируется на огне­упорных поверхностях топки; 2) го­релки с насадками, имеющими боль­шое число каналов неправильной гео­метрической формы; 3) горелки с на­садками, в которых расположены ка­налы (туннели) правильной геомет­рической формы. К первой группе от­носятся горелки, у которых газовоз­душная смесь выходит из головки и поступает непосредственно в топку котла или печи, где протекает процесс подогрева и горения газа. У этих го­релок раскаленные стенки обмуровки, своды или специальная наброска из кускового высокоогнеупорного мате­риала являются стабилизаторами го­рения и поджигают поступающий по­ток газа.

Ко второй группе относятся горел­ки с пористыми диафрагмами, зер­нистым слоем из огнеупора и т. д. У всех горелок этого типа газ сгорает в сильно разветвленных каналах мел­кого сечения и неправильной геомет­рической формы. В насадке разви­ваются высокие температуры, поэтому материал стенок должен обладать зна­чительной огнеупорностью. Насадки этого типа характеризуются значи­тельным гидравлическим сопротивле­нием. Горелки рассматриваемого типа имеют малую производительность. Наибольшее распространение получи­ли горелки третьей группы, насадки которых состоят из каналов правиль­ной геометрической формы. По разме­рам и числу каналов эти горелки подразделяют на горелки, насадки которых состоят из большого числа мелких каналов или туннелей, и горел­ки с насадком в виде одного огне­упорного туннеля.

Огнеупорные насадки горелок инф­ракрасного излучения состоят из кера­мических плиток. Каждая плитка име­ет размер 65X45X12 мм. На плитке размещены цилиндрические каналы диаметром 1...1.5 мм. Минимальная толщина перемычки между каналами 0,5 мм. Суммарное живое сечение от­верстий каналов составляет 35 ... 40 % общей площади плитки, что обеспечи­вает малое гидравлическое сопротив­ление насадка. Плитку прессуют из огнеупорной легковесной керамиче­ской массы. Один из составов такой массы следующий, %: огнеупорная глина —45, каолин —25, оксид хро­ма —5 и тальк —25. Пористость кера­мики уменьшает ее коэффициент теп­лопроводности; это необходимо для того, чтобы снизить температуру внут­ренней поверхности плитки и тем са­мым препятствовать проскоку пламени и зажиганию смеси внутри горелки. Разработанная технология изготовле­ния и обжига обеспечивает высокие термические качества плиток, которые способны выдержать резкие изменения температур.

Ветроустойчивая горелка инфра­красного излучения ГИИВ-1 показана на рис.2. Эжекционный смеси­тель расположен в корпусе горелки, в результате чего удалось сократить ее габариты. Расход природного газа на горелку 0,28 ... 0,53 м /ч, давление газа 0,7 ... 2,5 кПа. Газ выходит из сопла горелки, засасывает весь воздух, необходимый для горения (а«1,05), перемешивается с ним в эжекционном смесителе, готовая газовоздушная смесь поступает в распределительную камеру, откуда со скоростью 0,1... 0,14 м/с выходит через каналы керамической насадки. Динамическое давление, с которым поток выходит из диффузора, теряется и создаются одинаковые условия для истечения га­зовоздушной смеси через любой огне­вой канал. При работе горелки кера­мические плитки прогреваются на не­которую глубину и подогревают газо­воздушную смесь в цилиндрических каналах. Газовоздушная смесь сгора­ет в тонком слое над наружной поверх­ностью насадка, которая разогревает­ся до 800 ... 900° С через 40...50 с после зажигания. Подогрев газовоздушной смеси в каналах осуществляется теп­ловым потоком, движущимся от пла­мени по стенкам. Этот прогрев спо­собствует обеспечению устойчивости пламени по отношению к отрыву.

Устойчивость пламени по отноше­нию к проскоку обеспечивается тем, что диаметр цилиндрических каналов в керамических плитках выбран меньше

Рис.2. Горелка ин­фракрасного излучения ГИИВ-1

1— корпус, 2— излучающие керамические плитки, 3— сетка, 4— эжекционная трубка, 5— сопло, 6— кронш­тейн

критического. Для того чтобы газо­воздушная смесь не могла воспламе­ниться от внутренней поверхности плитки, последняя не должна иметь высокой температуры. При увеличении расхода газа температура поверх­ности плиток растет до 1050 ... 1100° С, и она раскаляется до белого цвета. Прогрев каналов в глубину увеличи­вается, и фронт горения перемещает­ся внутрь каналов. При дальнейшем увеличении расхода газа фронт горе­ния перемещается все глубже в кана­лы и при определенной нагрузке про­изойдет проскок пламени внутрь го­релки. Рассмотренная закономерность проскока пламени отличается от про­скока бунзеновского пламени. Это свя­зано с наличием керамических кана­лов, которые с ростом нагрузки про­греваются глубоко внутрь, при этом растут температура смеси и скорость распространения пламени и этот про­цесс заканчивается проскоком пламе­ни, а не зажиганием газовоздушной смеси от тыльной части керамических плиток, так как при проскоке ее темпе­ратура не превышает 400° С. Следо­вательно, зажигание газовоздушной смеси, находящейся в горелке, проис­ходит в результате проникания фронта горения через огневые каналы.

Следует отметить, что проскок про­исходит через каналы, которые имеют диаметры меньше критических. Это происходит потому, что через прогре­тые стенки прекращается теплоотвод и они превращаются в поджигающие поверхности. Вместе с тем в иссле­дованиях Гипрониигаза показано, что при нагрузках горелки, значи­тельно превосходящих номинальное значение, пламя будет формироваться над перфорированными плитками без их значительного подогрева. При та-

ких условиях устойчивость пламени по отношению к отрыву будет опре­деляться теми же условиями, что и устойчивость бунзеновского пламени. Кривые проскока пламени в зависи­мости от тепловой нагруз'ки и коэффи­циента избытка воздуха для плиток с диаметром отверстий 1,55 и 1,75 мм показаны на рис. 3.

Во всех случаях воспламенение газовоздушной смеси в коробке горел­ки происходило в результате проскока пламени через отверстия, а не за счет поджигания смеси обратной стороной плитки, так как ее температура не превышала 400° С. Тепловая нагрузка плитки 465 Вт обеспечивает устойчи­вую работу горелки, поэтому такая нагрузка принята в качестве номи­нальной. При этой нагрузке темпе­ратура рабочей поверхности состав­ляет 800° С, а ее тепловое напря­жение 140 кВт/м². При температуре наружной поверхности 800...900°С 55...60 % теплоты, выделившейся в ре­зультате сгорания газа, передается излучением, при этом максимальное количество энергии приходится на об­ласть инфракрасных лучей с длиной волны 2,5...2,7 мкм. Рассмотренный тип горелок инфракрасного излучения предназначен для работы на природ­ном газе низкого давления, а также для работы на сжиженном углеводо­родном газе с давлением 5 кПа.

Над керамическими плитками рас­положена сетка — стабилизатор горе­ния, выполненная из жаропрочной хромоникелевой проволоки диаметром 1,2... 1,3 мм. Повышенная ветроустой­чивость горелки обеспечивается в результате выравнивания давления над плитками и перед соплом эжекто­ра. Эжектор засасывает воздух из ка­меры, куда он поступает через девять отверстий в рефлекторе. Скоростной напор ветра у поверхности плиток преобразуется в статическое давление, которое передается через отверстие в корпус, и тем самым давление в нем выравнивается с наружным. Таким об­разом, ветер не влияет на условия работы эжектора. Ветроустойчивость обеспечивается при лобовой скорости ветра до 3...3.5 м/с. Горелки инфракрасного излучения используют­ся для обогрева и сушки помещений, тканей, упаривания жидких и полу­жидких материалов и т. д.

Рис.3. Кривые проскока пламени для пли­ток

а — природный газ (диаметр отверстий плиток d~l,75 мм), б — сжиженный газ, 1— проскок пламени при d=I,55 мм, 2 проскок пламени при d= 1,75 мм

Блочные эжекционные (инжекционные) горелки типа БИГ, разра­ботанные Промэнергогазом. Горелки этого типа представляют собой серию горелок разных конфигураций и произ­водительности, компонуемых из стан­дартных элементов. Стандартный эле­мент горелки состоит из набора еди­ничных однотипных смесителей 2 (рис.4, а), закрепленных в общем кол­лекторе — газовой камере 3. Единич­ный смеситель представляет собой тру­бу диаметром 48x3 мм и длиной 290 мм. В начальной части трубы, которая находится внутри газового коллектора, имеются четыре отверстия диаметром по 1,5 мм каждое, оси которых расположены под углом около 25° к оси горелки. Эти отверстия выполняют роль периферийных сопел, через которые газ истекает внутрь эжекционной трубы и эжектирует воз­дух, поступающий через открытый торец трубы. Конструкция эжекцион­ной части отработана таким образом, что при разрежении в топке, равном 20 Па, газ эжектирует весь воздух, необходимый для горения, с коэффи­циентом избытка α= 1,02... 1,05.

Высокие скорости газовых струй, расположенных по периферии, способ­ствуют созданию профиля скоростей, препятствующего проскоку пламени. Блоки горелок футеруются огнеупор­ной массой (см. рис.4, б), а на их выходе располагается туннель-стаби­лизатор глубиной 100 мм. Он пред­отвращает отрыв пламени. Горелки полностью размещаются в пределах обмуровки котла толщиной 510 мм. Номинальное давление газа перед го­релкой составляет 80 кПа (среднее давление), коэффициент глубины регулирования производительности ра­вен 3,4...3,8. В зависимости от компоновки (числа единичных элемен­тов) производительность горелки из­меняется от 10 до 240 м³/ч. Горелки БИГ работают без химической непол­ноты сгорания с малыми избытками воздуха. Содержание оксидов азота составляет 0,15 ... 0,18 г/м³. Горелки компонуют в виде стандартных набо­ров (см. рис.4, в), состоящих из единичных эжекционных трубок, со­бранных в один ряд (7 типоразме­ров), в два ряда (6 типоразмеров) и в три ряда (2 типоразмера) Горел­ки предназначены для оборудования котлоагрегатов с расположением в об­муровке стенок котла и на поду вмес­то колосниковой решетки. Котлы, обо­рудованные горелками БИГ, имеют бо­лее высокий КПД (на 2%), чем при оборудовании эжекционными горел­ками с центрально расположенными соплами.

Эжекционные горелки среднего давления для природного газа, разра­ботанные Ленгипроинжпроектом, изготовляют литыми в двух вариантах: прямые (тип I) и угловые (тип II). На рис. 5 показаны эти варианты для горелок 7М. Горелки рассчитаны на работу без подогрева воздуха и без охлаждения головки горелки. Из разработанных десяти типоразме­ров государственные испытания про­шли шесть типоразмеров (1М, 4М, 6М и 7М), которые и рекомен­дуются для применения. Номиналь­ное давление газа 50 кПа, макси­мальное — 90 кПа. При 50 кПа и нуле­вом разрежении в топке горелки ра­ботают с коэффициентом α=1,05. Ко­эффициент глубины регулирования производительности горелок изменяет­ся от 3 до 7— он определяется отношением тепловой мощности при р_г=90 кПа к

Рис. 4. Блочная эжекционная горелка (БИГ) а — элемент горелки, б — общий вид, в — компоновка элементов, 1— туннель стабилизатор, 2— смеситель стабилизатор, 3— га­зовая камера, 4— огнеупорная масса, I — газ,II— воздух

могут быть использованы также в топ­ках небольших котлов.

Ркс.6. Эжекционная горелка среднего давления с кольцевым стабилизатором

а — горелка в сборе, б — насадок со стаби­лизатором

Горелки без огнеупорных насадок. Для обеспечения устой­чивого горения газа у горелок без огнеупорных насадок применяют спе­циальные стабилизаторы горения. Они предотвращают отрыв пламени, созда­вая устойчивые очаги зажигания го­рючей смеси с Помощью зон рецир­куляции продуктов сгорания или под­жигающих поясов. Горелки рассмат­риваемого типа состоят из эжекционного смесителя и головки горелки со стабилизатором горения.

В пределах малой толщины кинетического фронта пламени, измеряемо­го долями миллиметра, при неболь­ших избытках воздуха процесс горе­ния не завершается, и за фронтом пламени образуются продукты непол­ного сгорания. Это объясняется тем, что по мере выгорания газа в реа­гирующей смеси появляются продукты сгорания и взаимные столкновения ак­тивных молекул топлива с кислоро­дом затрудняются. В результате про­цесс горения, вначале чисто кинети­ческий, приобретает диффузионный характер, и чем больше смесь разбав­ляется инертными газами, тем сильнее он затормаживается. Замедлению про­цесса горения способствует также по­степенное охлаждение «хвостов» факе­ла. Для дожигания таких обедненных «хвостов» следует предусматривать специальные мероприятия, с помощью которых в «хвосте» пламени усили­вается турбулизация потока, способст­вующая столкновению горючего с кис­лородом, и создаются температурные условия, обеспечивающие завершение процесса горения.

Эжекционные горелки с кольце­выми стабилизаторами разработаны Ленгипроинжпроектом. Из десяти ти­поразмеров государственные испыта­ния прошли только пять (1, 3, 7, 8, 9). Эти горелки рекомендуются к приме­нению. На рис. 6 показаны горел­ка и отдельно кольцевой стабили­затор (размеры приведены для горел­ки № 7). Производительность горел­ки 37,5 м³/ч при давлении газа 50 кПа. Устойчивость горения обеспечивается кольцевым пламенем, которое форми­руется на щели по периферии отвер­стия горелки. Малая скорость выхода газовоздушной смеси из щели обеспе­чивает устойчивое горение пламени и поджигание основного факела. Горел­ки рассчитаны на те же параметры, что и туннельные. Производительность разработанных типов горелок изме­няется в пределах 5...62 м³/ч при давлении газа 50 кПа. Горелки также выпускают в двух вариантах: прямые (тип I) и угловые (тип II). Горелки предназначены для установки в топках небольших котлов.

К горелкам рассматриваемого типа относятся эжекционные ИГК (рис.7) среднего давления с пластинча­тыми стабилизаторами конструкции Мосгазпроекта. Особенность устройст­ва этих горелок в том, что в конце диффузора эжектора установлен пла­стинчатый стабилизатор. Он представ­ляет собой пакет, собранный из сталь­ных пластин толщиной 0,5 мм с рас­стоянием между ними, равным 1,5 мм. Малое расстояние между пластинами исключает возможность проскока пла­мени внутрь горелки, а застойные зо­ны, возникающие вблизи стяжных бол­тов, предотвращают отрыв пламени. Горелки устойчиво работают в диапа­зоне изменения давления газа от 3 до 50 кПа, таким образом коэффициент глубины регулирования производи­тельности для них равен 4,1. После остановки горелки регулятор воздуха должен оставаться открытым для ох­лаждения пластин Горелки рассчита­ны на сжигание газа с теплотой сгора­ния Q^с_н = 35 600 кДж/м³ и р = 0,73 кг/м³.

Производительность горелок в за­висимости от типоразмера при дав­лении газа 30 кПа изменяется от 6 до 150 м³/ч Горелки с номиналь­ной производительностью 50 м³/ч и выше для подачи газа имеют по четы­ре сопла В результате применения нескольких сопел удается сократить размеры эжекционного смесителя. Уменьшение длины эжектора в этом случае вытекает из соображений, до­пускающих, что процесс смесеобразо­вания для каждого элементарного потока многосоплового смесителя про­текает аналогично процессу в одно-сопловом эжекторе. Для многосопло­вого смесителя эквивалентный диа­метр «горловины» для каждого потока будет меньше диаметра горловины всего смесителя в -√п раз (где п — число сопел). Путь смешения для каж­дого элементарного потока пропор­ционален диаметру его горловины и равен пути смешения для всего эжек­тора, так как процесс смесеобразо­вания в этих потоках протекает парал­лельно. Таким образом, длина много­соплового смесителя при_ прочих рав­ных условиях будет вя раз меньше длины односоплового эжектора

Кинетический факел, образующий­ся при горении, располагают непос­редственно в топке котла. Он имеет сравнительно небольшие размеры. Го­релки предназначены для обогрева чу­гунных секционных и стальных котлов небольшой производительности. Про­тяженность топки вдоль факела должна быть не меньше 1,2 м. Топки долж­ны работать под разрежением. Содер­жание оксидов азота у чугунных сек­ционных котлов, оборудованных го­релками ИГК, составляет примерно 0,16 г/м³.

Рис 7 Горелка с пластинчатым стабилизатором, 1- обмуровка котла; 2- огнеупорная глина.