3.2. Структура и характеристика факелов
Факелом называют поток раскаленных газов и несгоревшего топлива, образующийся при сжигании газа и мазута. Строение факела характеризуется распределением в его объеме концентраций отдельных газов, температур и динамических напоров.
Особенность метода факельного сжигания — раздельная подача газа и воздуха в камеру горения. При этом процесс перемешивания идет медленно, путем молекулярной диффузии и занимает большую часть камеры горения (рабочего пространства печи).
Рис. 3.1. Схема газового факела.
Простейшая схема горения газа факельным способом при турбулентном характере течения смешивающихся потоков газа и воздуха представлена на рис. 3.1. В начальной части факела располагается ядро чистого газа и зона наиболее интенсивного горения 3, где отмечается наиболее высокое содержание продуктов сгорания. Внутри нее более «холодная» зона 5 с преобладающим содержанием газа, горящая зона 4 с избыточным содержанием воздуха, воздушная зона 2.
За счет турбулентных пульсаций, возникающих, в частности, от неравномерного увеличения отдельных объемов газа из-за горения очагами, происходит нарушение границ отдельных зон горения. Это сопровождается также непрерывными колебаниями давления, в результате чего нарушается форма факела и даже его сплошность. На форму факела и скорость выгорания газа оказывают влияние ограждающие поверхности камеры сгорания. В длинных и узких топочных камерах при установке горелок с торца возможно свободное развитие факела по длине. В короткой топочной камере факел ударяется в стену, искривляется, иногда даже происходит его разделение и перемешивание отдельных зон.
Конфигурация факела зависит и от гидродинамических условий в камере сгорания, а именно при высоких скоростях выхода газа и воздуха загорание происходит на некотором расстоянии от горелки и иногда наблюдается отрыв факела.
В зависимости от расположения, например при встречном размещении горелок, факел может быть сосредоточен в центре камеры с образованием вихрей в нижней ее части или V-образным при сводовых горелках и т. д.
Расстояние между осями горелок, угол их наклона, способ отвода продуктов сгорания из печи (сосредоточенный или рассредоточенный), место отвода (сверху, сбоку, снизу) — все это также сказывается на формирование факела. Значительное охлаждение факела в результате затягивания его в тоннель или корпус горелки, а также удар факела о холодные поверхности нагрева могут привести к затуханию и неполному сгоранию газа даже при достаточном количестве кислорода.
Для правильного выбора необходимых размеров камер сгорания надо знать границы и длину факела. Границей факела считают поверхность, за которой химический недожог составляет 1—2 %.
3.3. Беспламенные горелки.
Горелки с предварительным перемешиванием называют беспламенными, так как при этом в рабочее пространство печи поступают продукты сгорания без видимого факела.
Большой
скоростью обеспечивается тщательное
предварительное перемешивание газа и
воздуха в корпусе горелки. Поэтому для
осуществления процесса горения достаточно
малых топочных объемов — тоннелей,
которые располагают в стенках печи. За
счет высокой скорости горения тепловое
напряжение тоннелей этих горелок
составляет 1—12 млн. кДж/(м3-ч).
Газ в этих горелках можно сжигать с
коэффициентом расхода воздуха а, не
превышающим 1,05, что позволяет получить
высокую температуру продуктов сгорания.
Однако последние, вследствие отсутствия
в них сажистого углерода, имеют малую
степень черноты.
Рис.3.2. Схема установки инжекционных горелок:
1 – газовое сопло; 2 – групповой смеситель (инжектор);
3 – горелки; 4 – огнеупорный тоннель (горелочный камень).
Широкое распространение получили горелки с инжекционными смесителями, в которых нужное количество воздуха для горения подсасывается за счет энергии газа, подаваемого струей с высокой скоростью (рис. 3.2). Инжекторы изготовляют с цилиндрическими или коническими трубами—диффузорами (рис. 3.3). Цилиндрические трубы имеют КПД 10—15 %, а конические вдвое выше, вследствие того что в диффузорах с углом раскрытия не более 8 % нет отрыва струи от стенок и образования вихрей.
Рис..3.3. Инжекторы беспламенных горелок:
А – целиндрический; б – конический; в – эпюра давлений; 1 – газовое сопло; 2 – труба-смеситель.
При работе инжекционные горелки забирают непосредственно из помещения холодный воздух, подсасывая его в количестве, пропорциональном подаваемому газу. Чем больше расход газа, тем больше будет разрежение в диффузоре, и, следовательно, возрастет количество подсасываемого воздуха (рис. 3.3, в). При этом горелки автоматически поддерживают принятый расход воздуха. Широкое применение нашли однопроводные инжекционные горелки, у которых носок расположен на одной оси со смесителями (рис. 3.4) и эжектируемой средой является воздух. Однопроводные горелки могут работать при давлении природного газа перед соплом 800—6000 Па.
Рис. 3.4. Инжекционная (беспламенная) горелка:
1— газовое сопло; 2 — шайба для изменения воздушной щели
Недостаток беспламенных горелок в том, что при снижении скорости подачи смеси в тоннель возможен проскок пламени. Снижение нагрузок беспламенных горелок возможно только до предельной величины, поэтому они имеют узкие пределы регулирования производительности по газу, не превышающие 1 : 4. Беспламенные горелки имеют большие размеры смесителя. Уменьшение размеров смесителя приводит к опасности возникновения проскока пламени. Целесообразным решением явилось создание многосопловых горелок, которые представляют собой комбинацию из семи смесителей с одним общим носком, охлаждаемым водой.
Пределы регулирования нагрузок расхода газа в беспламенных горелках порой оказываются недостаточными для нормальной работы некоторых промышленных печей, что ограничивает область их применения при автоматическом регулирования теплового режима печей. Разработаны и применяются двухпроводные инжекционные горелки. В этих горелках эжектирующая среда — газ, а эжектируемая — подогретый воздух (рис. 3.5). Давление воздуха перед вентилем поддерживают специальным регулятором. Производительность горелки регулируют расходом газа.
Для беспламенных горелок особенно большой производительности (более 20 м3/ч) необходимо охлаждение носка горелки (рис. 3.5). Должна быть предусмотрена тепловая изоляция и обязательная защита носка кладкой для всех горелок этого типа, иначе может наступить деформация его из-за перегрева.
Беспламенные горелки характеризуются концентрированным горением (коротким факелом) и непригодны для печей, где требуется растянутый факел. Чтобы добиться равномерных температур в длинных печах, необходимо размещать большое число мелких горелок по длине рабочего пространства. Это осложняет ремонт, удорожает установку, а применение водяного охлаждения (кроме непосредственного расхода воды) связано с эксплуатационными неудобствами и трудностями.
При сжигании природного газа из-за развивающихся в тоннелях высоких температур возникают трудности в подборе огнестойких материалов для их изготовления, так как дешевые огнеупоры оказываются недостаточно стойкими и быстро разрушаются.
Однако при всех недостатках метод беспламенного сжигания газа высокоэффективен, так как тепловые напряжения объема тоннелей горелок велики и измеряются тысячами МДж/(м3-ч). Широко распространены горелки Стальпроекта типов: В — высокого давления, Н — низкого давления и П — для сжигания подогретых газов или воздуха (температура смеси должна быть ниже температуры воспламенения)
Рис. 3.5. Двухпроводная инжекционная горелка
Для любой беспламенной горелки её номер численно равен диаметру носка, мм. Производительность горелок при давлении 20 кПа следующая:
15 18 56
100 154 205 235
,
м3/ч 0,5 0,7
6,6 22 50 90 118
Производительность горелки при изменении давления можно определить по формуле
,
где
и
— номинальные производительность и
давление природного газа. При
увеличении давления в 4 раза
производительность горелки повышается
вдвое.