4.3.2. Сжигание газообразного топлива
Газообразное топливо в настоящее время широко применяется в котельных топках, металлургических печах, в стационарных установках с газотурбинным двигателем, а также в двигателях внутреннего сгорания. К достоинствам этого топлива относятся низкая себестоимость, легкость транспортировки и управления процессом горения, отсутствие золы и возможность использования газов с различной теплотой сгорания. Природный или искусственный газ по своему фазо-вому состоянию наиболее подготовлен к процессу сгорания.
Смесеобразование – процесс получения смеси воздуха с горючим газом зависит от типа и конструкции горелочных устройств. В теплоэнергетике применяют следующие горелочные устройства:
- газогорелочные устройства, в которых смесь подготавливается внутри горелки, а в топочную камеру подается гомогенная смесь;
- газогорелочные устройства с раздельным вводом горючего газа и воздуха (диффузионного типа), при этом смесь образуется в топочной камере и сгорает в диффузионном факеле;
- газогорелочные устройства комбинированного смешения, при этом часть смеси начинает готовиться в горелке и заканчивается в топочной камере.
Наибольшее применение находят второй и третий способы, при этом горючий газ начинает подаваться в воздушный поток уже в горелочном устройстве. Перемешивание газа с воздухом продолжается на срезе горелки и далее в горящем факеле. Распределение горючего газа в воздушном потоке осуществляется предпочтительно струйным способом, при котором газ вводиться через несколько трубок, или отверстий по направлению движения (спутно) воздушного потока или под углом к потоку.
Для улучшения качества смесеобразования потоки газа и воздуха необходимо турбулизировать, обеспечить глубину проникновения газовых струй и соответствующее расходу воздуха распределение газа по слоям воздушного потока. Расчет глубины внедрения газовых струй в воздушный поток рассмотрен в работе [5]. Раздача газа в воздушный поток показана на рис. 4.12.
3. Турбулизация потока в зоне горения достигается посредством ради-ального ввода струй воздуха через отверстия в стенках жаровой трубы и установ-кой в торцевой части камеры лопаточных завихрителей, перфорированных плас-тин и др. Наблюдаемая скорость распространения пламени U, м/с (текущая) связана с искривлением формы фронта пламени. Из-за разности плотностей свежей смеси по сравнению с продуктами сгорания (ρсм > ρпг) площадь фронта пламени F больше площади сечения канала S. Реальная скорость горения
. (4.32)
Наблюдаемая скорость распространения пламени во столько раз больше нор-мальной, во сколько раз площадь фронта пламени больше площади поперечного сечения канала («Закон площадей»).
Основной закон горения в движущемся газе состоит в том, что наблюдаемая скорость распространения пламени возрастает обратно пропорционально cos φ («Закон косинуса»):
, (4.33)
Рис. 4.12. Распределение газа и воздуха: а) – в щелевой горелке при периферийном подводе газа; б) – в круглой горелке при центральном подводе газа.
где φ – угол между нормалью к элементу фронта пламени dF и направлением скорости U (рис. 4.12):
Рис. 4.12. Распространение пламени в горизонтальной трубе
При искривлении поверхности фронта пламени возрастает его площадь, а значит и количество сгорающей смеси.
При турбулизации горения площадь фронта пламени возрастает за счет его искривления и разрывов, в результате интенсифицируется сжигание топлива. Распространение пламени в ламинарном и турбулентном факеле гомогенной смеси, а также в диффузном факеле в зависимости от способов ввода горючего газа и воздуха подробно рассмотрено в работе [5]. Там же представлены схемы и конструкции различных горелок, применяемых для сжигания мазута и горючих газов, их компоновка в котельных топках.