книги из ГПНТБ / Чепель В.М. Сжигание газов в топках котлов и печей и обслуживание газового хозяйства предприятий

газового сопла, отчего горелка быстро нагреется и может быть выведена из строя. Кроме того, горение газа внутри горелки будет неполным, с большим образованием сажи, что может при­ вести тоже к загазованию топки и дымоходов котла или печи

ивзрыву газа в них.

Внекоторых конструкциях горелок с принудительной пода­ чей воздуха, имеющих длинные смесительные трубопроводы, проскок пламени внутрь горелки может привести к их взрыву. Следовательно, отрыв пламени от горелки и проскок его внутрь горелки — явления опасные, указывающие на необходимость сознательного и умелого обращения с горелкамп со стороны обслу­ живающего персонала.

Причины явлений отрыва и проскока пламени состоят в сле­

дующем: начальное горение газовоздушной смеси, выходящей из горелки, происходит на поверхности внутреннего конуса пламени в зоне 2 (см. рис. 57). Таким образом, поверхность конуса является фронтом пламени, границей между горящей п еще не

вленной под прямым углом (или перпендикулярно) к поверхности конуса снаружи в любой его точке (как показывает стрелка 4), и н о р м а л ь н о й с о с т а в л я ю щ е й с к о р о с т и п о ­ т о к а г а з о в о з д у ш п о й с м е с и , представляющей собой скорость движения газовоздушной смеси, направленного также перпендикулярно к поверхности, конуса изнутри, навстречу рас­ пространению пламени (по стрелке 5).

По своей величине нормальная составляющая скорости потока газовоздушной смеси будет всегда меньше общей скорости вылета смеси из горелки, она увеличивается с увеличением ширины внутреннего конуса пламени, зависящего от диаметра выходного сечения горелки и высоты конуса, возрастающей с увеличением скорости вылета смеси из горелки.

Однако всегда с увеличением количества подачи газа в горелку будет увеличиваться как скорость вылета газа из горелкп, так и нормальная составляющая скорости потока газовоздушной смеси и, наоборот, с уменьшением подачи газа обе скорости будут становиться меньше. Отсюда следует, что отрыв пламени от го­ релки будет происходить тогда, когда нормальная составляющая скорости потока смеси станетбольше скорости распространения пламени, т. е. при увеличении скорости вылета смесп из го­ релки.

П о э т о м у , у в е л и ч и в а я н а г р у з к у г о р е л к и , н е л ь з я п е р е г р у ж а т ь г о р е л к у , т. е. д о п у с к а т ь

дительной подачей воздуха).

Наоборот, проскок пламени в горелку будет происходить при условии, когда нормальная составляющая скорости потока газовоздушиой смеси станет меньше скорости распространения пла­ мени, что может быть при уменьшении скорости вылета газовоздушиой смеси из горелки. Поэтому, у м е н ь ш а я н а г р у з ­

Скорость распространения пламени для различных газовнеодинакова: наибольшую нормальную скорость распространения пламени имеет смесь водорода с воздухом — 2,1 м/сек и наи­ меньшую — смесь метана с воздухом — 0,37 м/сек. Этн данные относятся к смесям с температурой + 20° С и при условии выте­ кания нх из горелки спокойным прямоструйным движением. Из этого следует, что искусственные газы, богатые водородом, дают газовоздушные смеси с большей скоростью горения и спо­ собностью к проскоку пламени внутрь горелки, чем природные газы; последние богаты метаном и дают газовоздушпые смеси, горящие медленно, а значит и более способные к отрывам пламени от горелкп.

Повышение температуры газовоздушной смеси, например, за счет подачи подогретого первичного воздуха или газа, резко увеличивает скорость распространепия пламени.

Количество первичного воздуха в газовоздушпой смеси является одним из основных факторов, влияющих на скорость распространения пламени. В смесях, в которых содержание газа превышает верхний предел его воспламеняемости (взрывае­ мости), пламя вообще не распространяется. С увеличением количества первпчпого воздуха в смеси скорость распростра­ нения пламени увеличивается, достигая наибольшей величины при содержащих воздуха около 90% от теоретического количе­ ства, необходимого для полного сгорания газа. Из этого следует, что при увеличении подачи первичного воздуха в горелку созда­ ется смесь, более бедная газом, способная гореть быстрее и вы­ звать проскок пламени внутрь горелки. Поэтому при увеличении нагрузки горелок увеличивается сначала подача газа, а затем воздуха, а при уменьшении нагрузки, наоборот, сначала умень­ шается подача воздуха, а затем газа. По этой же причине в мо­ мент пуска горелок первичный воздух не должен в них поступать, и зажигание газа производится за счет вторичного воздуха с по­ следующим переходом на подачу первичного воздуха по мере увеличения нагрузки горелок.

Вбольшинстве горелок внутреннего смешения, применяемых

втопках котлов и печей, выход газовоздушной смеси происходит

обычно не спокойным прямоструйным истечением, а вихреобразпо. Это происходит по причине больших скоростей вылета смеси из горелок н благодаря имеющимся в некоторых горелках завихряющим устройствам, направленным на лучшее пере­ мешивание газа с воздухом. Такое вихреобразное движение смеси называется турбулентным движением, или турбулент­ ностью.

Опыты показывают, что чем больше турбулентность газового потока, тем больше скорость распространения пламени и быстрота сгорания газовоздушиой смеси, превышающая указанную выше скорость распространения пламени при прямоструйном движении

(головке) горелок, создающие у корня факела зажигательное кольцо за счет горения части газовоздушной смеси, отводящейся в кольцевой канал головки с пониженными скоростями через ■боковые отверстия (рис. 58).

В качестве стабилизатора пламени употребляется рассека­ тель — брус, сделанный из огнеупора и устанавливаемый против выходного отверстия горелки, который, раскалившись, стано­ вится постоянным запальником, не дающим возможности пла­ мени оторваться. Вместо рассекателя в топочных устрой­ ствах может быть использована горка из битого шамотного кирпича.

Подобные устройства из огнеупоров способствуют улучшению перемешивания газа с воздухом и быстрому и полному его сго­ ранию с наименьшим избытком воздуха. Кроме того, раскаленные поверхности огнеупоров способствуют повышению интенсивности отдачи тепла лучеиспусканием от горящих газов к поверхности нагрева котлов.

142 Глава V

Б е с п л а м е н н о е с ж и г а н и е г а з а

Беспламенное сжигание газа отличается от описанного выше сжигания газа несветящнмся пламенем тем, что из горелки в топку поступает полностью готовая для горения газовоздушная смесь, содержащая количество воздуха, необходимого для пол­ ного сгорания газа, и которая сгорает очень быстро коротким, почти бесцветным пламенем. Для получения такой газовоздушной смеси наиболее подходящей горелкой является инжекцыонная горелка высокого давления, полного предварительного смешения, работающая на среднем давлении газа, обеспечивающая подсос всего воздуха, необходимого для горения. Так же с успехом применяются и горелки с принудительной подачей воздуха, при условии подачи в них всего необходимого для горения воздуха в качестве первичного. Однако вследствие больших скоростей вылета смеси из горелок (от 10 до 30 м/сек и выше), необходимых для предотвращения проскока пламени в горелки, устойчивость, пламени очень мала и применение стабилизаторов его необхо­ димо.

Практикой сжигания газов давно уже отмечено, что устой­ чивость пламени полностью подготовленной для горения газо­ воздушной смеси может быть резко повышена, если такую смесь сжигать в окружении раскаленных огнеупорных материалов, при­ меняемых в виде решеток, горок из боя шамотного кирпича и осо­ бенно туннелей (рис. 59), получивших большое распространение. Сгорание смеси в раскаленных туннелях происходит так быстро, что пламени газа, особенно на фойе раскаленного огнеупора, совсем не видно, — почему этот способ сжигания и получил название беспламенного.

Как показывают опыты и практика, сжигание газа в туннелях позволяет наиболее надежно получить полное сгорапис горючих газов при наименьших избытках воздуха против теоретически необходимого, а значит является наиболее экономичным способом сжигания газа. При этом сжигание газа может происходить с очень большим тепловым напряжением топочных объемов, о чем подробнее будет сказано ниже.

Особенно эффективно применение этого способа для сжигания низкокалорийных газов: доменного, генераторного и газов под­ земной газификации угля. Также эффективно сжигание в тун­ нелях н природных газов.

Метан, составляющий основную горючую часть природных газов, является медленно горящим газом, вследствие чего при сжигании природных газов бывает трудно добиться полного их сгорания при малых избытках воздуха. Даже увеличивая не­ сколько избыток воздуха, не всегда удается получить их полное сгорание. При беспламенном же способе сжигания можно полу­

горения газа воздух (102— 105%) должен подаваться в горелку для смешения с газом. Устойчивость и быстрота сгорания газо-. воздугапой смеси в туннелях, благодаря которым обеспечивается.

Рис. 59. Схема беспламенного сжигания газа:

1 — расширяющийся поток гавово8Душной смеси; 2 — вихревая вона; з — стенка цп._ линдрпческого туннеля; -1 — огнеупорная набивка туннеля; S — газовое сопло; 6 — регу._ лнровочная воздушная шайба; 7 — смеситель; S — головка горелки.

полнота ее сгорания, достигается за счет того, что в угловомпространстве между стенками-туннеля и расширяющейся струей газовоздушной смеси образуется циркуляция части разогретых газов, отрывающихся от основного потока расширяющейся газо-.

лизация пламени, исключающая возможность его отрыва отгорелки.

Опытами установлено, что устойчивость горения газа в туи-, нелях может быть так велика, что позволяет сжигать газовоздуш­ ные смеси при скоростях вылета из горелки, значительно пре­

•144 Глава V

может быть применено при необходимости получения более вы­ сокой температуры горения.

Форма внутренней части туннеля должна быть цилиндрической или слегка конусной, расширяющейся к выходу (под углом 8°),

.а расположение выходного отверстия горелки должно быть ■строго в центре туннеля, вдоль его оси. Изготавливаются тун­ нели из огнеупорного кирпича с огнеупорной пабпвкой следующего

•состава по объему: 1) порошка хромистого железняка 45 %, огне­ упорной глины 10% и порошка обожженного магнезита 45% или 2) аллупда 50%, шамота 30—20%, глины огнеупорной

.20—30 %; применяются также высокоглпноземный шамот и дру­ гие огнеупорные материалы.

Как показал опыт, внутренний диаметр огнеупорного тун­ неля для сжигания природных газов беспламенным способом дол­ жен быть в 21/ 2, а длина в 12 раз больше диаметра выходного отверстая горелки. Для искусственных газов длина туннеля мо­ жет быть меньше, примерно в 6—7 раз больше диаметра выход­ ного отверстая горелки.

При таком устройстве н размерах туннелей могут быть достиг­ нуты не только условия, обеспечивающие интенсивное подогре­ вание и поджигание смеси п надежную стабилизацию пламени, но и полученпе полного сгорания газа с минимальным избытком воздуха в с а м о м т у н н е л е . При этом 80—90% газа успе­ вает сгорать на первой половине длины туннеля, что позволяет значительно сокращать длину туннелей в большинстве топочпых устройств, против размеров указанных выше.

Уменьшение длины туннелей возможно для всех газов до величины, равной 2Уг диаметрам выходного отверстия горелки, что достаточно для обеспечения поджигания смеси и падежной стабилизации пламени, но завершение сгорания газов будет про­ исходить уже в объеме топочного пространства котла или печи. Повышение стабилизирующей пламя способности туннелей и со­ кращение их длины может быть достигнуто установкой в центре туннеля, по оси потока смеси, против выходного отверстая го­ релки, какой-либо насадки из огнеупорного материала обтекаемой ■формы в виде конуса. В этом случае при ударе струи смеси в ко­ нус за ним создаются дополнительные вихревые потоки разогре­ тых газов, т. е. увеличивается турбулентность и поверхность ■фронта зажигания смеси, отчего ее воспламенение и сгорание будет происходить еще быстрее. В результате этого тепловое напряжение туннелей может быть повышено вдвое, а длина их ■сокращена наполовину.. Согласно опытным данным, полученным в Энергетическом научно-исследовательском институте АН СССР, насадок устанавливается в туннеле, против устья горелки на рас­ стоянии, равном его диаметру, а последний должен составлять 3/3 диаметра выходного отверстия горелки.

148 Глава V

против ряда кипятильных или экранных 1 труб котла, интенсивно охлаждаемых циркулирующей внутри них водой.

В результате такого теплообмена от топочных газов к воде котел будет работать с возможно наименьшей температурой отходящих газов, т. е. с более высоким к. п. д. Кроме того, температура внутри туннелей панели горелки будет не выше 1000—1250° С, что вполне достаточно для обеспечения полного сгорания и способствует долговечной работе керамических призм. Горелка устойчиво работает, допуская большие пределы регули­ ровки и обеспечивая при этом полное сгорание газов при из­ бытках возуха в топке а = 1 , 0 2 — 1,15.

Керамические призмы изготовляются из 70% шамота класса А, 26% латненской глины и 6% асбеста. Огнеупорность этого состава — 1700° С.

Кроме прямоугольных призм, Главнефтемашем спроектиро­ ваны горелки с панелью, составленной из призм (рис. 61), кромки которых образзпот дополнительные туннели, располо­ женные между основными туннелями. Испытание таких горелок показало хорошую их работу, причем производительность го­ релки за счет дополнительных туннелей может быть повышена на 80% по сравнению с горелками, в которых панели составлены из прямоугольных призм.

1 Экранами называются ряды кипятильных труб, располагаемых

вертикально внутри топки котла, по ее стенкам. Концы труб присоединяются к коллекторам и через них соединены с водяным и паровым пространствами котла, благодаря чему котловая вода может циркулировать по трубам экранов, охлаждая их. Экраны, воспринимая тепло от горящего топлива пу­ тем лучеиспускания, являются наиболее активной частью поверхности на­ грева котлов и могут работать с напряжением (съемом пара с 1 м - поверх­ ности нагрева в час) до 150—200 кг и более, в то время как среднее напряже­

ние всей поверхности пагрева котлов малой и средней мощности находится в пределах от 15 до 40 к г /м г в час.