Газовые горелки, классификация и характеристики
Газовая горелка - это устройство для смешения кислорода с газообразным топливом с целью подачи смеси к выходному отверстию и сжигания её с образованием устойчивого факела. В газовой горелке газообразное топливо, подаваемое под давлением, смешивается в смесительном устройстве с воздухом (кислородом воздуха) и образовавшаяся смесь поджигается на выходе из смесительного устройства с образованием устойчивого постоянного пламени.
Газовые горелки обладают широким спектром достоинств. Конструкция газовой горелки очень проста. Ее запуск занимает доли секунды и работает такая горелка практически безотказно. Газовые горелки используются для отопительных котлов или промышленного применения.
Сегодня существует два основных вида газовых горелок, их разделение ведется в зависимости от используемого метода образования горючей смеси (состоящей из топлива и воздуха). Различают атмосферные (инжекторные) и наддувные (вентиляционные) устройства. В большинстве случаев первый вид является частью котла и входит в его стоимость, второй же вид чаще всего приобретается отдельно. Наддувная горелка газовая в качестве инструмента горения более эффективна, поскольку в них подача воздуха осуществляется специальным вентилятором (встроенным в горелку).
Назначениями газовых горелок являются:
– подача газа и воздуха к фронту горения;
– смесеобразование;
– стабилизация фронта воспламенения;
– обеспечение требуемой интенсивности горения.
Типы газовых горелок:
Диффузионная горелка – горелка, в которой топливо и воздух смешиваются при горении.
Инжекционная горелка – газовая горелка с предварительным смешиванием газа с воздухом, у которой одна из сред, необходимых для горения, подсасывается в камеру горения другой среды (синоним– эжекционная горелка)
Горелка с полым предварительным смешением – горелка, в которой газ смешивается полным объемом воздуха перед выходными отверстиями.
Большая группа разнообразных по конструкций и различных по производительности горелок относится к горелкам с незавершенным предварительным смешением газа с воздухом. У горелок этого типа процесс смесеобразования начинается в самой горелке и активно завершается в топочной камере. Вследствие этого газ сгорает коротким и несветящимся пламенем. В связи с тем что до выхода в топку, где начинается процесс горения, газовоздушная смесь частично была приготовлена, скорость горения определяется диффузионными и кинетическими факторами. Следовательно, у этих горелок осуществляется диффузионно-кинетический способ сжигания газа. Горелки рассмотренного типа состоят из систем раздельной подачи газа и всего воздуха, необходимого для горения, а также устройств, в которых начинается процесс смесеобразования. В топку поступает газовоздушная смесь, представляющая собой турбулентный поток с неравномерными полями концентраций горючего и окислителя в поперечном сечении. Попадая в зону высоких температур, смесь воспламеняется. Участки потока, в которых концентрация газа и воздуха находится в стехиометрическом соотношении, сгорают кинетическим способом, а зоны, в которых процесс смесеобразования не завершен, выгорают диффузионно. Процессом смешения в топке управляет смесительное устройство горелки, так как структуру потока и движение его отдельных частиц определяют условия его выхода из смесителя. Смешение газа и воздуха у этих горелок происходит в результате турбулентной диффузии, поэтому такие горелки называют горелками турбулентного смешения. Для повышения интенсивности процесса сжигания газа следует максимально интенсифицировать смеше ние газа с воздухом, так как смесеобразование является тормозящим звеном всего процесса. Интенсификации процесса смесеобразования достигают: закручиванием потока воздуха направляющими лопатками; тангенциальным подводом или устройством улиток; подачей газа в виде мелких струй под углом к потоку воздуха расчленением потоков газа и воздуха на мелкие потоки, в которых происходит смесеобразование. Горелки турбулентного смешения нашли широкое применение. Основными положительными качествами таких горелок являются: а) возможность сжигания большого количества газа при сравнительно небольших габаритах горелки (особенно важно для мощных котлов); б) широкий диапазон регулирования производительности горелки; в) возможность подогрева газа и воздуха до температур, превышающих температуру воспламенения, что имеет большое значение для некоторых высокотемпературных печей; г) сравнительно простое выполнение конструкций с комбинированным сжиганием топлива (газа — мазута, газа — угольной пыли). Недостатки рассматриваемых горелок: принудительная подача воздуха и сжигание газа с химической неполнотой, большей, чем при кинетическом горении. Горелки турбулентного смешения имеют различную производительность от 60 кВт до 60 МВт. Их используют для обогрева промышленных печей и котлов.
Горелки турбулентного смешения ГНП конструкции Теплопроекта производительностью 7 ... 250 м3/ч при давлении газа и воздуха 0,4 ... 2 кПа показаны на рис. 16.10. Горелки выпускают девяти типоразмеров с двумя типами наконечников газового сопла. Наконечник А обеспечивает короткофакельное сжигание, а наконечник Б создает удлиненный факел. Газ входит в горелку через патрубок и истекает с определенной скоростью из сопла. Воздух в горелку подают под давлением, перед входом в носик горелки он закручивается. Смешение газа с воздухом начинается внутри горелки при выходе газа из сопла и интенсифицируется закрученным потоком воздуха. При многоструйной подаче газа (с наконечником А) процесс образования смеси протекает быстрее и газ сгорает в коротком факеле. Горелку устанавливают совместно с керамическим туннелем, служащим стабилизатором горения. Горелки обеспечивают сжигание газа при отсутствии химической неполноты при коэффициенте избытка воздуха α= 1,05 ... 1,1. При давлении газа 4 кПа длина факела для горелок с наконечником типа А в зависимости от ипоразмера горелки изменяется от 0,6 до 2,3 м. Основные размеры серии горелок ГНП следующие: диаметр выходного отверстия изменяется в пределах D= 25 ..142 мм; диаметр газовых отверстий у наконечника типа А равен: d=3,2 ... 15,5, а число их изменяется от 4 до 6; диаметр газового отверстия у наконечника типа Б равен: di = 5,5 ... 31 мм (обозначения показаны на рис. 16.10). По результатам государственных испытаний горелки рекомендованы к применению. Основными положительными качествами их являются: простота и компактность конструкции, возможность работы при низких давлениях газа и воздуха, широкие пределы регулирования производительности. Горелки этого типа предназначены для обогрева кузнечных и термических печей,сушилок.
Рис. 16.10. Турбулентная горелка типа ГНП 1— корпус, 2— сопло, 3— наконечник сопла типа А, 4 - наконечник сопла типа Б, 5— носик
Горелка не с полым предварительным смешением –горелка, в которой газ не полностью смешивается с воздухом перед выходными отверстиями. Атмосферная газовая горелка–инжекционная газовая горелка с частичным предварительным смешением газа с воздухом, использующая вторичный воздух среды, окружающей факел.
Атмосферная горелка, предназначенная для установки в топке четырех- и пятисекционных чугунных котлов (ВНИИСТО-Мч), показана на рис. 16.8. Головка горелки имеет 142 отверстия диаметром 4 мм и надевается на эжекционную трубку. В месте выхода газовоздушной смеси из эжектора головка не имеет отверстий. Если здесь расположить отверстия, то пламя над ними будет значительно выше, чем над другими отверстиями, так как при истечении газа из этих отверстий будет использовано динамическое давление потока газовоздушной смеси, движущегося из эжекционной трубки в головку горелки. Кроме того, вследствие повышения выходной скорости пламя над этими отверстиями может быть недостаточно устойчивым. Тепловая нагрузка горелки равна 20 кВт (0,2 м3/ч при QCK == 36 МДж/м3). Горелка запроектирована для сжигания газа с теплотой сгорания QCH= 25 000...36 000 кДж/м3, при этом в зависимости от величины QCH изменяют диаметр сопла. При сжигании природного газа с теплотой сгорания 36 000 кДж/м3 диаметр сопла равен 4 мм, а необходимое давление газа составляет 1,3 кПа. Коэффициент первичного воздуха горелки можно регулировать воздушной шайбой. Эжекционная трубка имеет проточную часть с малым гидравлическим сопротивлением. Головка горелки выполнена таким образом, что вторичный воздух имеет подход к каждому ряду отверстий с одной стороны. Высота пламени при работе горелки с нормальной тепловой нагрузкой примерно равна 100 мм. Горелка проста по конструкции и надежна в эксплуатации. При работе в чугунных секционных котлах атмосферные горелки обеспечивают полное сжигание газа при сравнительно небольшом содержании в продуктах горения оксидов азота. Концентрация NOX обычно не превосходит 0,12 г/м3. Это связано с рассредоточением пламени и ступенчатым сжиганием газа (с первичным и вторичным воздухом).
Рис. 16.8. Атмосферная горелка для чугунного котла 1— регулятор воздуха, 2— сопло, 3— эжекционная трубка; 4— головка горелки с огневыми отверстиями
Атмосферная горелка с одним выходным отверстием показана на рис. 16.9. Особенность этой горелки заключается в том, что ее головка имеет не коллектор с большим числом мелких отверстий, а коническую трубку с одним отверстием большого диаметра (40 мм). В результате этого значительно удлиняется пламя горелки. Вследствие разрежения в топке вторичный воздух по кольцевому зазору между горелкой и специальным кожухом поступает к корню факела. У горелки предусмотрена возможность регулирования количества первичного и вторичного воздуха. Такие горелки применяют при переоборудовании на газовое топливо ресторанных плит и пищеварочных котлов (причем в плите может быть одна горелка или блок, состоящий из двух-трех горелок). Тепловая нагрузка горелки составляет 18,6 кВт, давление газа 1,3 кПа. Горелка рассчитана на сжигание газа с теплотой сгорания Qсн =36 000 кДж/м3. В зависимости от теплоты сгорания газа в горелке устанавливают сопло соответствующего диаметра.
Рис. 16.9. Атмосферная горелка с одним выходным отверстием 1— головка горелки, 2— эжекционный смеситель, 3— регулятор, 4— сопло, 5— регулятор первичного воздуха
Горелка специального назначения–горелка, принцип действия и конструкцию которой определяет тип теплового агрегата или особенности технологического процесса.
Рекуперативная горелка–горелка , снабженная рекуператором для подогрева газа или воздуха
Регенеративная горелка– горелка, снабженная ре генератором для подогрева газа или воздуха.
Автоматическая горелка–горелка, оборудованная автоматическими устройствами: дистанционным запальным, контроля пламени, контроля давления топлива и воздуха, запорными клапанами и средствами управления, регулирования и сигнализации.
Турбинная горелка–газовая горелка, в которой энергия вытекающих струй газа используется для привода встроенного вентилятора, нагнетающего воздух в горелку.
Запальная горелка–вспомогательная горелка, служащая для розжига основной горелки.
Наиболее применимы на сегодняшний день классификация горелок по способу подачи воздуха, которые делятся на:
– бездутьевые – воздух поступает в топку за счет разрежения в ней;
– инжекционные – воздух засасывается за счет энергии струи газа;
– дутьевые – воздух подается в горелку или топку с помощью вентилятора.
Блочные эжекционные (инжекционные) горелки типа Б И Г, 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. 16.4, 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 а= 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. 16.4, 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. 16.4, в), состоящих из единичных эжекционных трубок, собранных в один ряд G типоразмеров), в два ряда F типоразмеров) и в три ряда B 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.
Используют газовые горелки при различных давлениях газа: низком – до 5000 Па, среднем – от 5000 Па до 0,3 МПа и высоком – более 0,3 МПа. Чаще используют горелки, Большое значение имеет тепловая мощность газовой горелки, которая бывает максимальная, минимальная и номинальная.
При длительной работе горелки, где газа расходуется большее количество без отрыва пламени, достигается максимальная тепловая мощность.
Минимальная тепловая мощность возникает при устойчивой работе горелки и наименьших расходах газа без проскока пламени.
При работе горелки с номинальным, обеспечивающим максимальный КПД при наибольшей полноте сжигания, расходом газа достигается номинальная тепловая мощность.
Допускается превышение максимальной тепловой мощности над номинальной не более чем на 20%. В случае если номинальная тепловая мощность горелки по паспорту 10000 кДж/ч, максимальная должна быть 12000 кДж/ч.
Еще одной важной особенностью газовых горелок является диапазон регулирования тепловой мощности.
На сегодня используется большое количество горелок различной конструкции.
Выбирается горелка по определенным требованиям, к которым относятся: устойчивость при изменениях тепловой мощности, надежность в эксплуатации, компактность, удобство при обслуживании, обеспечение полноты сгорания газа.
Основные параметры и характеристики используемых газогорелочных устройств определены требованиями:
– тепловая мощность, вычисляемая как произведение часового расхода газа, м3/ч, на его низшую теплоту сгорания, Дж/м3, и являющаяся главной характеристикой горелки;
– параметры сжигаемого газа (низшая теплота сгорания, плотность, число Воббе);
– номинальная тепловая мощность, равная максимально достигаемой мощности при длительной работе горелки с минимальным ' коэффициентом избытка а воздуха и при условии, что химический недожог не превышает установленных для данного типа горелок значений;
– номинальное давление газа и воздуха, соответствующее номинальной тепловой мощности горелки при атмосферном давлении в топочной камере;
– номинальная относительная длина факела, равная расстоянию по оси факела от выходного сечения (сопла) горелки при номинальной тепловой мощности до точки, где содержание углекислого газа при α = 1 равно 95% его максимального значения;
– коэффициент предельного регулирования тепловой мощности, равный отношению максимальной тепловой мощности к минимальной;
– коэффициент рабочего регулирования горелки по тепловой мощности, равный отношению номинальной тепловой мощности к минимальной;
– давление (разрежение) в топочной камере при номинальной мощности горелки;
– содержание вредных примесей в продуктах сгорания;
– теплотехнические (светимость, степень черноты) и аэродинамические характеристики факела;
– удельная металло– и материалоемкость и удельный расход энергии, отнесенные к номинальной тепловой мощности;
– уровень звукового давления, создаваемый работающей горелкой при номинальной тепловой мощности.
Требования к горелкам
На основании опыта эксплуатации и анализа конструкции горелочных устройств можно сформулировать основные требования к их конструкции.
Конструкция горелки должна быть наиболее простой: без подвижных частей, без устройств, изменяющих сечение для прохода газа и воздуха и без деталей сложной формы, расположенных вблизи носика горелки. Сложные устройства при эксплуатации себя не оправдывают и быстро выходят из строя под действием высоких температур в рабочем пространстве печи.
Сечения для выхода газа, воздуха и газовоздушной смеси следует отрабатывать в процессе создания горелки. В процессе эксплуатации все эти сечения должны быть неизменными.
Количество газа и воздуха, подаваемого на горелку, следует измерять дроссельными устройствами на подводящих трубопроводах.
Сечения для прохода газа и воздуха в горелке и конфигурацию внутренних полостей следует выбирать таким образом, чтобы сопротивление на пути движения газа и воздуха внутри горелки было бы минимальным.
Давление газа и воздуха в основном должно обеспечивать требуемые скорости в выходных сечениях горелки. Желательно, чтобы подача воздуха в горелку была регулируемой. Неорганизованная подача воздуха в результате разрежения в рабочем пространстве или путем частичного инжектирования воздуха газом может допускаться только в особых случаях.