16.6. Горелки без предварительного смешения газа с воздухом

В горелках без предварительного смешения газ и воздух раздельными потоками подаются в топку, где проис­ходит смесеобразование и особенностью таких горелок, называемых диффузионными, является то, что газовая струя или газовые струи выходят из горелки лишь в зоне амбразуры, где господ­ствуют высокие температуры, и газо­вые струи сразу воспламеняются. Процесс горения протекает по мере образования газовоздушной смеси на поверхности струи за счет диффузии кислорода из потока воздуха. Ско­рость горения и излучение пламени определяются скоростью диффузии. Если газовая струя достаточно мощ­ная и процесс смесеобразования, а следовательно, и горения затягивает­ся, тогда возникают зоны термичес­кого разложения углеводородов и пла­мя делается светящимся и значитель­ных размеров. Если газ подается в виде ряда струек малых размеров, а воздушный поток турбулизируется путем его закрутки, тогда диффузион­ный процесс доставки кислорода в зону горения интенсифицируется и газовые струйки малых размеров быстро выгорают. При такой органи­зации диффузионного горения пламя будет коротким и с малым свечением или вообще без свечения.

Диффузионные горелки в конструк­тивном отношении могут представлять собой трубу с просверленными отвер­стиями. Газ поступает в горелку и выходит из отверстий без предвари­тельного смешения с воздухом. Горел­ки такого типа работают с малыми форсировками и преимущественно в области ламинарного режима. Они находят применение при сжигании искусственных газов под небольшими водонагревательными устройствами.

Другим вариантом диффузионной горелки является горелка с подачей газа и воздуха двумя параллельными потоками. При необходимости пре­дельно затормозить процесс смесеоб­разования и вытянуть факел следует подавать газ и воздух с одинаковыми скоростями и одинаковыми плотностя­ми. Этого можно достичь подогревом газа или воздуха. При ламинарном режиме процесс смесеобразования в начальной стадии будет протекать только в результате молекулярной диффузии. Малая интенсивность сме­шения газа с воздухом будет затяги­вать процесс горения и увеличивать длину факела. С возрастанием ско­рости потока (в пределах ламинар­ного режима) будет увеличиваться и длина пламени. Горелки такого типа находят применение в случаях, когда по технологическим условиям требует­ся затянуть процесс горения для со­здания равномерных и невысоких тем­ператур.

Диффузионные горелки применяют в сталеплавильных и стекловарочных печах. В результате раздельной пода­чи газа и воздуха становится возмож­ным подогревать воздух до температу­ры, превышающей температуру вос­пламенения газа. Газ сгорает ярко светящимся факелом. Большая сте­пень черноты пламени и высокая тем­пература подогрева воздуха обеспечи­вают интенсивный радиационный по­ток теплоты, направленный на нагре­ваемый материал. К достоинствам диффузионных горелок относятся: возможность работы на низком давле­нии газа и без вентиляторного дутья; простота конструкции; отсутствие про­скока пламени; возможность работы на воздухе с температурой выше тем­пературы воспламенения газа.

К горелкам диффузионного типа относятся подовые горелки, которые используют при переводе отопитель­ных котлов со слоевыми топками на газообразное топливо. У этих горелок газ без предварительного смешения с воздухом выходит в топку, куда из-под колосников поступает воздух. Та­кая организация процесса смесеобра­зования типична для диффузионных горелок. Газовые струйки у подовых горелок направляются под углом к потоку воздуха и равномерно распре­деляются по его сечению. Процесс смешения осуществляется в специаль­ной щели, образуемой огнеупорной кладкой. Это интенсифицирует сме­шение газа с воздухом, уменьшает избытки воздуха и обеспечивает устой­чивое зажигание образующейся смеси. У подовых горелок колосниковую ре­шетку закладывают огнеупорным кир­пичом, оставляя несколько щелей, в которых размещают трубы с просвер­ленными в них отверстиями для выхо­да газа.

Рис. 16. Расположе­ние в топке подовой горелки с прямой ще­лью

1— колосниковая ре щетка, 2 — горелка, 3— под из огнеупорного кирпича, 4- листовой асбест, 5— два ряда отверстий в шахматном порядке диаметром 2,5 мм, шаг 20 мм, по 84 шт с каждой его роны, 6— газовый кол лектор

Расположение подовой горелки в топке показано на рис. 16.16. Коллек­торы горелки установлены на кирпи­чах, расположенных на колосниковой решетке. Над коллекторами огнеупор­ная кладка образует прямые щели, в которые выходит газ, не смешанный с воздухом. Отверстия для выхода га­за расположены в 2 ряда в шахмат­ном порядке, симметрично по отно­шению к вертикальной плоскости с углом между рядами отверстий 90 ... 180°. Воздух подается под колоснико­вую решетку вентилятором или посту­пает туда в результате разрежения в топке, поддерживаемого тягой, и про­ходит через щель, омывая коллектор горелки с двух сторон. Струя газа в результате турбулентной диффузии перемешивается с воздухом и на рас­стоянии 20 . . 40 мм от отверстий горелки начинает гореть. Процесс го­рения заканчивается на расстоянии 0,5 .. 1 м от горелки.

Таким образом, у подовых горелок осуществляется диффузионный прин­цип сжигания газа. Процесс смесе­образования активизируется тем, что поток газа разбивается на мелкие струйки, выходящие с большой ско­ростью под углом к прямому потоку воздуха. Огнеупорные стенки щели выполняют роль стабилизатора горе­ния, предотвращая отрыв пламени, и одновременно являются косвенными излучателями, повышающими прямую отдачу в топке Максимальная тем­пература на поверхности щели колеб­лется в пределах 900 ... 1200 °С, а на поверхности коллектора в отдель­ных точках она достигает 300 . ... 500° С. Температура колосниковой решетки под щелью не превышает 75 ... 80° С.

Как показали экспериментальные исследования, подовые горелки обес­печивают сжигание газа без хими­ческой неполноты при коэффициенте избытка воздуха ос, равном 1,1 ... 1,3. Концентрация оксидов азота в продук­тах горения составляет около 0,12 г/м³. Подовые горелки работают на низком давлении газа (1000 .. 5000 Па) и при давлении воздуха 600 ... 1000 Па. При работе горелок без дутья в топке должно поддер­живаться разрежение 20 30 Па для котлов средней производительности (2 . Ют пара в 1 ч) и не менее 8 Па для небольших отопительных котлов. Оптимальная скорость выхода природ­ного газа из отверстий коллектора составляет 25 ... 80 м/с, а скорость воздуха в плоскости коллектора — 2,5 ... 8 м/с.

Экспериментально установлено, что щель, по оси которой распола­гается коллектор, целесообразно вы­полнять прямой (см. рис. 16). Прямая щель проста по устройству и обеспечивает благоприятные усло­вия для горения газа. Щель выкла­дывают из огнеупорного шамотного кирпича класса А первого сорта. Для предотвращения присоса воздуха в топке между рядами кирпичей целе­сообразно прокладывать листовой ас­бест толщиной 4 ... 6 мм Требуемый избыток воздуха и температура кол­лектора зависят от угла между ряда­ми отверстий. При угле 90° требуется больший избыток воздуха, но темпе­ратура коллектора горелки будет ниже (до 330° С). Если угол составляет 180°, то коэффициент избытка возду­ха меньше, а температура коллектора достигает 530° С Поэтому при работе на холодном воздухе можно прини­мать угол, равный 90 ... 180°, а при горячем воздухе — только 90°. При работе на низком давлении без дутья целесообразно принимать угол, равный 90°.

Для подовых горелок, предназна­ченных для промышленных котлов, рекомендуется принимать следующие размеры: диаметр коллектора 50 ... ... 100 мм, диаметр отверстий 2 .. 3 мм, шаг между отверстиями 15 ... 20 мм (6 ... 10) d_0T. Отверстия следует располагать в шахматном порядке, высота щели должна составлять 200 . . ... 260 мм, ширину определяют расче­том, и она обычно составляет 80 ... ... 180 мм. Подовые горелки чугун­ных отопительных котлов выполняют следующих размеров: диаметр отвер­стий 1,3 ... 2 мм, шаг между отверстия­ми 10 ... 20 мм, высота щели 130 ... ... 200 мм, а ширину также опреде­ляют расчетом и принимают 80 ... ... 110 мм. Тепловые напряжения поперечного сечения щели горелки составляют 2,9 ... 23 МВт. Горелки располагают на колосниковой решетке так, чтобы обеспечить наиболее равномерное рас­пределение температур в горизонталь­ном сечении топки. Число горелок выбирают в соответствии с числом топочных дверок, а длину — в соответ­ствии с длиной топки. Подовые го­релки целесообразно устанавливать в топках котлов с колосниковыми решет­ками при переводе их на газ. При установке подовых горелок в чугунных отопительных котлах, работающих без дутья, в топках последних разреже­ние должно быть не менее 8 Па, а высота топки — не менее 700 мм.

Плоскопламенная горелка ГПП, разработанная Институтом газа АН УССР, показана на рис 17. Эта горелка создает разомкнутый диффу­зионный факел, который раскрывает­ся на 180° и растекается тонким вееро­образным слоем вдоль стены, в кото­рой установлена горелка. Факел имеет большой диаметр, его плоскость рас­полагается перпендикулярно оси го­релки и газ выгорает в тонком слое у поверхности кладки на выходе из амбразуры. Кладка раскаляется и слу­жит источником интенсивного излуче­ния. Такое развитие факела обеспе­чивает равномерное температурное по­ле вблизи излучающей стенки (на расстоянии 200 . 250 мм) и равно мерные лучистые потоки от нее. Разом­кнутый факел создается в результате интенсивного закручивания воздушно­го потока винтовым завихрителем. Газ выходит из малых отверстий, просверленных по окружности в конце газового наконечника, в виде струек, воспламеняется в амбразуре горелки и горит диффузионным пламенем в за­крученном потоке воздуха. В расши­ряющейся части туннеля под воздейст­вием радиальных скоростей факел раскрывается и догорает - вблизи по­верхности кладки. По оси горелки располагается зона рециркуляции про­дуктов горения. Раскаленные продук­ты горения зажигают свежую смесь и обеспечивают стабилизацию пламе­ни.

Горелки выпускают семи типораз­меров производительностью от 5 до 160 м³/ч и трех модификаций: низ­кого давления (ГППН —3 кПа), сред­него давления (ГППС—12 кПа) и высокого давления (ГППВ —70 кПа). Необходимое давление воздуха 3 кПа. Горелки работают с коэффициентом избытка воздуха а=1,02 ... 1,05 и коэффициентом глубины регулирова­ния производительности от 10 до 18. Диаметр газовых отверстий 6 ... 12 мм. Горелки предназначены для установки в нагревательных и термических пе­чах.

Рис. 17. Плоскопламенная горелка 1— завихритель воздуха, 2— газовое отверстие,3— огнеупорная стенка

43