2622

форочные горелки плит должны соответствовать посуде, которую на них устанавливают, а горелки водонагревателей, кипятильников, котлов и т.д. – габаритам их топок.

Головки горелки располагают в топке таким образом, чтобы к ним были обеспечены правильный подвод вторичного воздуха, нормальное развитие конуса пламени и отвод продуктов горения. Вторичный воздух должен равномерно поступать к горелкам и иметь доступ к пламени по всей высоте. Величина минимального избытка воздуха, обеспечивающего сгорание газа без химической неполноты, в значительной мере зависит от способа подвода вторичного воздуха. При правильном конструктивном решении подвода вторичного воздуха удается добиться полного сгорания газа с коэффициентом избытка воздуха 1,2–1,25.

Горелку в топке следует располагать так, чтобы щели между ними и между горелками и стенками котла обеспечивали равномерный подвод воздуха к пламени с требуемым избытком. Количество поступающего вторичного воздуха целесообразно регулировать специальными регистрами, устанавливаемыми перед топкой на воздушном тракте.

Высота топочной части должна создавать условия, предотвращающие появление химического недожога. Внутренний конус пламени не должен соприкасаться с холодными поверхностями нагрева, так как это приводит к химической неполноте сгорания и появлению окиси углерода в продуктах горения. Соприкосновение внешнего конуса пламени с поверхностями нагрева при правильном подводе вторичного воздуха и отвода продуктов горения не дает заметного химического недожога.

Высота внутреннего конуса пламени зависит от состава газа, коэффициента первичного воздуха, скорости выхода газовоздушной смеси (или теплового напряжения поперечного сечения выходных отверстий горелки) и диаметра отверстий.

У топок, оборудованных атмосферными горелками, разряжение в плоскости головки обычно бывает очень малым. В то же время даже незначительное разряжение в топке сильно сказывается на коэффициенте эжекции и коэффициенте избытка воздуха. Для обеспечения стабильной подачи первичного и вторичного воздуха огневые установки с атмосферными горелками следует оборудовать тягопрерывателями. Тяга прерывается в результате сообщения дымохода за агрегатом с атмосферой. Кроме того, горелку вместе с эжектором целесообразно

60

располагать в топочной части. В результате этого давление у всасывающего патрубка эжектора и у выходных отверстий будет одинаковым и горелка станет работать с постоянным коэффициентом первичного воздуха. Тягопрерыватель обеспечивает практически постоянное разряжение, поэтому горелки будут работать с неизменным избытком воздуха.

Поступающий в топку воздух частично засасывается эжектором, а частично поступает к пламени горелки. Если всасывающая часть эжектора находится вне топки и огневая установка не имеет тягопрерывателя, то изменение тяги или давление газа скажутся на работе горелки, изменяя коэффициенты первичного воздуха и избытка воздуха. Это способствует появлению химической неполноты горения, малоустойчивой работе горелки или работе горелки с большим избытком воздуха.

При переводе существующих котлов на газ часто тягопрерыватели устанавливать нельзя, так как в топке будет очень малое разряжение, которое не обеспечит подачи необходимого количества вторичного воздуха. В этом случае эжектор горелки располагают внутри короба, сообщающегося с топочным или поддувальным пространством, а количество поступающего воздуха регулируют регистром.

Основными положительными качествами атмосферных горелок являются: простота конструкции; возможность работы на низком давлении газа; отсутствие необходимости в подаче воздуха под давлением; возможность полного сжигания газов различных характеристик; устойчивая работа горелки в достаточно широком диапазоне нагрузок; бесшумность работы; надежность и простота эксплуатации.

Атмосферные горелки нашли широкое применение в бытовых газовых приборах (плитах, водонагревателях), приборах предприятий общественного питания, в лабораторной практике, их часто применяют в чугунных отопительных котлах и сушилках.

Атмосферные горелки не обеспечивают высокую интенсивность сжигания газа, поэтому в котлах значительной производительности их не применяют. Производительность одной горелки обычно не превышает 116 кВт.

Так как атмосферную горелку необходимо располагать непосредственно в топке и для горения газа требуются высокие значения коэффициента избытка воздуха, то горелки могут быть использованы только для низкотемпературных установок.

61

На рис. 29 представлена чугунная атмосферная горелка, предназначенная для установки в топке котлов [8–10, 15, 16].

4

Газ

487

Рис. 29. Атмосферная горелка для чугунного котла: 1 – регулятор воздуха; 2 – сопло; 3 – эжекционная труба; 4 – головка горелки с огневыми отверстиями

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. Горелка запроектирована для сжигания газа с теплотой сгорания QНС = 25 000–36 000 кДж/м3, при этом в зависимости

62

от QНС 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 на городском газе с нормальной тепловой нагрузкой примерно равна 100 мм. Горелка проста по конструкции и надежна в эксплуатации.

На рис. 30 показана атмосферная горелка с одним выходным отверстием [8–10]. Головка представляет собой коническую трубку с одним отверстием большого диаметра (40 мм), а не коллектор с большим числом мелких отверстий. Это приводит к значительному удлинению пламени горелки. Вследствие разряжения 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.

Такую горелку применяют при переоборудовании на газовое топливо ресторанных плит и пищеварочных котлов, причем это 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 QНС = 36 000 кДж/м3. В зависимости от теплоты сгорания газа в горелке устанавливают сопло соответствующего диаметра.

4.4. Горелки с незавершенным предварительным смешением газа с воздухом

У горелок с незавершенным предварительным смешением газа с воздухом процесс смесеобразования начинается в самой горелке и завершается в топочной камере. Скорость горения определяется кинетическими и диффузионными факторами.

Горелки состоят из систем раздельной подачи газа и всего воздуха, необходимого для горения, и устройства, где начинается процесс смесеобразования. В топку поступает турбулентный поток газовоздушной смеси с неравномерными полями концентраций горючего и окислителя в поперечном сечении. Смесь воспламеняется, попадая в зону высоких температур.

63

74

Первичный

воздух

К запальнику

Рис. 30. Атмосферная горелка с одним выходным отверстием: 1 – головка горелки; 2 – эжекционный смеситель; 3 – регулятор первичного воздуха; 4 – сопло; 5 – регулятор вторичного воздуха

Участки потока, в которых концентрация газа и воздуха находятся в стехиометрическом соотношении, сгорают кинетическим способом, а зона, в которых процесс смесеобразования не завершен, выгорают диффузионно. Процессом смешения в топке управляет смесительное

64

устройство горелки, так как структура 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 или просто смесительными.

Для повышения интенсивности процесса сжигания газа необходимо максимально интенсифицировать смешение газа с воздухом, так как смесеобразование является тормозящим звеном всего процесса.

Интенсифицировать процесс смесеобразования можно:

–закручиванием потока воздуха направляющими лопаткам, тангенциальным подводом или улитками;

–подачей газа в виде мелких струй под углом к потоку воздуха;

–расчленением потоков газа и воздуха на мелкие потоки, в которых происходят смесеобразование.

Основными положительными качествами горелок турбулентного смешения являются:

–возможность сжигания большого количества газа при сравнительно небольших габаритах горелки;

–широкий диапазон регулирования производительности горелки;

–возможность подогрева газа и воздуха до температур, превышающих температуру воспламенения;

–сравнительно легкая возможность выполнения с комбинированным сжиганием топлива: «газ – мазут», «газ – угольная пыль».

Основными недостатками горелок являются:

–принудительная подача воздуха;

–сжигание газа с меньшими объемными тепловыми напряжениями, чем при кинетическом горении;

–сжигание газа с химической неполнотой, большей, чем при кинетическом горении.

Горелки турбулентного смешения нашли широкое применение в практике. Производительность горелки составляет от 60 кВт до 60 МВт. Их используют для обогрева промышленных печей и котлов.

На рис. 31 представлена горелка турбулентного смешения с производительностью 7–250 м3/ч при давлении газа и воздуха 0,4–2 кПа

[9].Горелки выпускаются девяти типоразмеров с двумя типами наконечников газового сопла. Наконечник А обеспечивает короткофакельное сжигание, 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

65

он закручивается. Смешение газа с воздухом начинается внутри горелки при выходе газа из сопла и интенсифицируется закрученным потоком воздуха. При многоструйной подаче газа (наконечник А) процесс образования смеси протекает быстрее и газ сгорает в коротком факеле. Горелку устанавливают совместно с керамическим туннелем, служащим стабилизатором горения.

Рис. 31 . Турбулентная горелка типа ГНП: 1 – корпус; 2 – сопло;

4

Основными положительными качествами горелки являются:

–простота и компактность конструкции;

–возможность работы при низких давлениях газа и воздуха;

–широкие пределы регулирования производительности горелки. Горелки этого типа предназначены для обогрева кузнечных и тер-

мических печей, сушилок, малых котлов.

66

Газ Газ

1

2

5

3

4

Воздух

Воздух а

«Узел А»

б

Рис. 32. Многоструйная вихревая газовая горелка низкого давления: а – горелка; б – наконечник с отверстиями и направляющим аппаратом; 1 – воздушная камера; 2 – газовая камера; 3 – наконечник; 4 – фронтовая плита; 5 – футеровка

На рис. 32 показана многоструйная вихревая горелка [9, 10], работа которой основана на дроблении основного потока газа и воздуха на несколько мелких потоков. Внутри этих потоков происходит интенсивный процесс смешивания. Горелка предназначена для сжигания природного газа с QНС = 35 МДж/м3 и имеет производительность 226 м3/ч. Газ входит в горелку через патрубок, поступает в газовую камеру, в ней разбивается на восемь мелких потоков в соответствии с числом газовых трубок. Из каждой трубки газ выходит в виде 12 тонких струек, оси которых направлены под углом к потоку воздуха. Диа-

67

метр выходных отверстий равен 4,3 мм. Воздух поступает в пространство между трубками и также разбивается на восемь мелких потоков, которые затем закручиваются с помощью лопаток направляющих аппаратов, и поступает в цилиндрические выходные каналы, пересекая газовые струйки. Здесь наступает процесс смесеобразования. Необходимое давление газа 1,3 кПа и воздуха 1 кПа. Вихревые горел-

ки выпускают восьми типоразмеров с производительностью 39–940 м3/ч.

Горелка имеет короткий несветящийся факел, длина которого при максимальных нагрузках составляет 1–1,5 м. Она обеспечивает устойчивую работу при изменении давления от 30 до 1500 Па и достаточно полное сжигание газа при коэффициенте избытка воздуха= 1,1. Горелка практически работает бесшумно. Ее огневую часть располагают в зоне высоких температур и для предохранения от быстрого разрушения футеруют.

Как показали испытания, температура корпуса горелки не превосходит 40–50 0С, а температура фронтовой плиты достигает 140–150 0С. Для наблюдения за работой горелки и зажигания газа в середине ее (по оси) предусмотрена труба диаметром 80 мм.

Горелка предназначена для сжигания газа в топках котлов и промышленных агрегатов.

Для обогрева котлов электростанций наибольшее распространение получили горелки турбулентного смешения, у которых газ подают в закрученный поток воздуха в виде большого числа струй. Это обеспечивает интенсивное перемешивание газа с воздухом и достаточно полное выгорание газа.

Воздушный поток закручивается с помощью улиток, направляющих лопаток или тангенциального подвода воздуха. Струйки газа вытекают из отверстий малого диаметра с большой скоростью и под прямым углом пересекают воздушный поток. Если в горелке газ подают по центральной трубе, и он, вытекая из нее, пересекает воздушный поток, двигаясь от центра к периферии, такие горелки называют горелками с центральной подачей газа. Если газ подают из камеры, расположенной снаружи горелки, и струйки его движутся по направлению к центру, в этом случае горелки называют горелками с периферийной подачей.

Турбулентные горелки часто выполняют комбинированными: пылегазовыми или газомазутными. Комбинированные горелки позволяют быстро переводить работу котла с одного вида топлива на другой,

68

что имеет большое значение для потребителей-регуляторов. Кроме того, газ в этих горелках может сжигаться одновременно с другим видом топлива.

Опыт показывает, что применение комбинированных горелок дает более высокий эффект, чем одновременное использование газовых и пылеугольных горелок или газовых и мазутных форсунок.

На рис. 33 показана пылегазовая горелка с центральной подачей газа производительностью 2400 м3/ч [8–10]. Она представляет собой пылеугольную горелку, приспособленную для сжигания газа. На угольной пыли горелка работает следующим образом. Смесь первичного воздуха с угольной пылью (аэровзвесь) подают в топку по кольцевому каналу центральной трубы, а вторичный воздух поступает в топку через улитку. Резервным топливом у таких горелок служит мазут, для чего в центральной трубе устанавливают мазутную форсунку.

Воздух

3

2Аэровзвесь при работе на угольной пыли

4

1

Газ Рис. 33. Комбинированная пылегазовая горелка с центральной подачей га-

за на выходе из амбразуры: 1 – кольцевой канал для подачи газа; 2 – наконечник газоподводящих труб; 3 – улитка для закручивания воздушного потока; 4 – кольцевой канал для подачи смеси первичного воздуха с угольной пылью (при работе на газе по кольцевому каналу подается 10 – 12 % воздуха)

Реконструкция горелок для сжигания газа сводится к замене мазутной форсунки кольцевым каналом, по которому подают газ. В цен-

69