4.5.4. Принципы организации сжигания газообразного топлива
Рассмотрим некоторые встречающиеся в практике варианты требований к факелу и процессу сгорания газового топлива (рис. 35).
1. Необходимо сгорание в коротком прозрачном факеле в ограниченном объеме. Это достигается за счет сжигания хорошо подготовленной газо-воздушной смеси в кинетических горелках инжекционного или дутьевого (смесительного) типа. Стабилизация факела может осуществляться за счет установки туннеля,плохообтекаемого тела, огнеупорного насадка или за счет наброски и т. д. Полное сгорание газа обеспечивается при коэффициенте избытка воздуха 1,02-1,05. Тепловое напряжение топочного объема может достигать сотен мегакалорий на кубометр в час. Такие требования к факелу возникают при высокотемпературном скоростном или местном нагреве в печах, при сжигании газа в контактных и погружных теплообменниках и т. п.
2. Требуется факел умеренной длины и светимости, хорошо заполняющий топку. Необходимые условия горения достигаются при использовании горелок частичного предварительного смешения. Горелки подобного типа работают на газе низкого давления с принудительной подачей воздуха. Для того, чтобы факел был укороченным и с большим углом раскрытия, можно применять горелки с закрученным потоком воздуха и смеси.
Рис. 35. Принципы организации сжигания газообразного топлива:
К - фронт кинетического горения; Д - фронт диффузионного горения.
Указанные требования к факелу предъявляются в нагревательных колодцах, в некоторых установках местного нагрева и при переводе существующих котлоагрегатов на газовое отопление. В последнем случае возможно, другое решение этой задачи: применение щелевых диффузионных горелок, подовых или настенных, также обеспечивающих хорошее заполнение топки и работу с малыми значениями коэффициента избытка воздуха при достаточной глубине регулирования.
3. Желательно сгорание в сажистом светящемся факеле большой протяженности. Такое сгорание получается с помощью диффузионных горелок, которые выбрасывают газ и воздух раздельными струями с относительно малыми скоростями. При такой организации смесеобразования и горения возможна работа с подогревом воздуха до температуры, превышающей температуру самовоспламенения.
Растянутый сажистый факел необходим в мартеновских печах, вращающихся цементных и керамзитовых печах и др.
4. Требуется такая организация сжигания газового топлива, чтобы максимально увеличить отдачу теплоты за счет излучения. Это обеспечивается за счет применения радиационных горелок, в которых осуществляется сжигание хорошо подготовленной газо-воздуш-ной смеси в тонком слое у керамической поверхности или в специальных огнеупорных насадках из пористой керамики, жаростойкой металлической сетки и т. д. Радиационные горелки основную часть тепла передают нагреваемым изделиям за счет непосредственного излучения разогретой поверхности (керамической стенки, огнеупорной насадки и т. д.). Они используются в установках, где нужно подучить заданное распределение тепловых потоков или нагрев изделий повышенной скоростью.
5. В ряде случаев, особенно при переводе на газ некоторых существующих печей и котлов (в частности, секционных, отопительных), необходимо создать примерно такие же условия в топке, как и при сжигании другого вида топлива, на котором установка успешно работала ранее. В большинстве случаев газовое топливо позволяет имитировать условия сжигания другого топлива. Например, организация сгорания в сажистом диффузионном факеле позволяет получить его геометрические и теплообменные характеристики близкими к характеристикам мазутного факела.
Сжигание в мало светящемся факеле в случае применения горелок частичного предварительного смешения создает условия в топке, близкие к условиям при сжигании пылевидного топлива. Применение подово-щелевых горелок в известной степени позволяет имитировать слоевой процесс горения.
В зависимости от режима движения газовых потоков факелы могут быть ламинарными и турбулентными. В технике чаще используется турбулентное горение. При этом применяются меры по усилению турбулизации: завихривающие вставки в горелках; подача дополнительных струй воздуха, турбулизирующих основной поток.
Эти примеры не охватывают всего многообразия приемов сжигания газового топлива, но показывают возможность организации самого выгодного процесса сгорания для заданной установки (рис. 36).
Рис. 36. Схемы подачи газа и воздуха в горелках. Виды горелок: а - диффузионная (диффузная); б - инжекционная среднего давления с центральной подачей газа, односопловая, однофакельная; в - инжекционная низкого давления, односопловая, многофакельная; г - инжекционная среднего давления, с центральной подачей газа, многосопловая; д - то же, плоскофакельная; е - инжекционная среднего давления, с периферийной подачей газа; ж - с принудительной подачей воздуха, центральной подачей газа и осевым лопаточным завихрителем; з - то же, с периферийной подачей газа и улиточным подводом воздуха; и - то же, с простым тангенциальным подводом воздуха (для пунктов «з» и «и» туннели-стабилизаторы условно не показаны).
При сжигании газообразного топлива можно получить любую степень светимости факела. Чем в меньшей степени организовано смесеобразование, тем больше в факеле образуется частиц сажи, которые определяют его светимость, тем больше длина факела и ниже температура в ядре факела. Вместе со светимостью факела повышается устойчивость горения и увеличивается доля теплоты, отдаваемой излучением в топке. Но короткий факел и хорошее смесеобразование позволяют получить хорошую полноту сгорания при малых избытках воздуха.
В диффузионных (диффузных) горелках воздух и газ в зону горения подаются раздельно, а смешение их происходит за горелкой в амбразуре или топке одновременно с процессом горения. Примером может служить горизонтальная щелевая (подовая) горелка. Полнота сгорания газа в горелках этого типа в значительной степени зависит от размеров, формы и качества кладки щелей, соотношения скоростей газа и воздуха, диаметров газовых отверстий и их расположения, способа распределения воздуха по длине щели и других факторов.
В инжекционных горелках воздух подсасывается внутрь горелки за счет энергии струй газа, выходящих из одного или нескольких сопел. Газ с воздухом смешиваются в горелке, и из устья в топку подается газо-воздушная смесь. Горелки среднего давления способны инжектировать весь воздух, необходимый для полного сгорания газа, а горелки низкого давления, как правило, инжектируют только первичный воздух, а вторичный поступает в зону горения в топке за счет разрежения в ней.
Основными достоинствами инжекционных горелок являются отсутствие затрат электроэнергии на привод вентилятора для подачи воздуха, автоматическое поддержание в определенных пределах тепловой мощности горелок, расчётного соотношения количеств газа и инжектируемого воздуха, хорошее перемешивание газа и воздуха. Недостатки - резкое возрастание размеров с увеличением тепловой мощности; ограниченный диапазон регулирования при 1; высокий уровень шума при использовании газа среднего и высокого давлений. Увеличение числа сопел у каждой горелки, а также применение газогорелочных устройств в виде блоков из элементов небольшой мощности позволяют уменьшить длину горелок и увеличить диапазон регулирования расхода газа.
Снижение уровня шума достигается применением шумопоглощающих устройств. Различают инжекционные горелки с центральной (осесимметричной) и периферийной подачей газа. Если горелка имеет одно сопло, то его ось совпадает с осью смесителя; если у горелки несколько сопел (обычно 3-4), то они расположены у центральной части инжектора горелки, а их оси параллельны оси смесителя. Горелками с центральной подачей газа считаются также те, у которых смеситель имеет форму щели, а сопла расположены по ее оси.
Большинство конструкций инжекционных горелок с центральной подачей газа имеет устройство в виде подвижной заслонки, позволяющее регулировать поступление первичного воздуха при розжиге и в необходимых случаях во время работы. У инжекционных горелок с периферийной подачей газа сопла расположены по периферии трубки-смесителя, а оси сопел образуют угол с осью смесителя в пределах 1025°. Горелки имеют небольшую длину, соизмеримую с толщиной стенок топки. Весь воздух, необходимый для сгорания газа, поступает через открытый конец смесителя. Горелки не требуют устройств для регулирования количества воздуха, а также наличия запальных и смотровых окон.
В горелки с принудительной подачей воздуха, как правило, подается такое его количество, которое необходимо для полного сгорания газа. Если эти горелки без предварительного смешения, то, как и в диффузионных горелках, газ и воздух поступают в зону горения раздельно и смешение происходит за горелкой в амбразуре или топке одновременно с горением. В горелках с принудительной подачей воздуха и предварительным смешением можно обеспечить заранее заданное качество подготовки смеси до выхода ее в амбразуру или топку. Для ускорения процесса смешения газ чаще всего поступает через ряд щелей или отверстий, оси которых направлены под углом к потоку воздуха. При подаче газовых струй в поток воздуха от центра к периферии горелки называют «с центральной подачей газа», а при подаче от периферии к центру - «с периферийной подачей газа».
Рис. 37. Горелка для сжигания природного газа в смеси с воздухом.