4.5 Интенсификация сжигания газообразных теплив

Как известно, горение состоит из ряда физических, тепловых и химических стадий: образования горючей смеси, ее нагревания, воспламенения, химического вза­имодействия горючих веществ с окислителем. Поэтому результирующая скорость горения зависит от интенсивности протекания отдельных стадий процесса. Интен­сивность образования горючей смеси определяется про­цессами мольной и молекулярной диффузий в горелке и корне факела. Горючий газ и воздух находятся в оди­наковом агрегатном состоянии, и их смешение не вызы­вает значительных трудностей и не требует сложных технических решений. Эффективное смешение газа и воздуха осуществляется посредством турбулизации га­зовоздушных потоков в горелке и в корне факела. Процесс смесеобразования ускоряется при делении газа на мелкие струйки и введении их наперерез воздушному потоку.

Для стабилизации факела и безопасного сжигания топлива важное значение имеют процессы подогрева и воспламенения горючей смеси. Воспламенение должно быть непрерывным, устойчивым, без проскока пламени в горелку и отрыва факела.

Рассмотренный выше способ воспламенения газово­го факела с помощью зажигающего кольца у корня фа­кела эффективен только в области ламинарного режима, когда скорость движения горючей смеси не выше ско­рости распространения пламени, максимальная величина которой при ламинарном горении составляет несколь­ко метров в секунду. В промышленных огнетехнических установках, как правило, применяется турбулентный режим горения с высокой скоростью ввода горючей сме­си в топочную камеру — 25—40 м/с, а при форсирован­ных режимах — до 100—120 м/с. Следовательно, для обеспечения устойчивого воспламенения факела в про­мышленных установках требуются специальные приемы искусственной стабилизации факела, практическое осу­ществление которых зависит от способа сжигания топ­лива.

Наиболее устойчивым является диффузионное горение, т. е. горение при раздельной подаче в зо­ну горения горючего и воздуха. Так как при диффузи­онном горении проскок пламени в горелку невозможен, то для стабилизации факела достаточно только предот­вращение отрыва факела от горелки.

Простейшим типом диффузионной горелки являет­ся трубчатая распределительная система с отверстиями ш 1,5—2 мм для выхода газа (рис. 26, а). Необходимый для горения воздух поступает из атмосферы обычно за счет самотяги, создаваемой в установке при горении. С це­лью повышения устойчивости воспламенения расстояние между отверстиями для газа определяется условиями «беглости огня», при которых любой газовый факел го­релки устойчиво зажигается от соседних горящих. Шаг между отверстиями обычно равен 15—25 мм.

В котлоагрегатах малой мощности иногда применя­ются диффузионные щелевые подовые горелки (рис. 26, б). Подовая горелка представляет собой трубчатую распределительную систему 1, сваренную из труб ш 45—60 мм. Трубы имеют два ряда газовыпускных от­верстий ш 1,3—2,8 мм, расположенных в шахматном по­рядке с шагом 15—25 мм. Трубы установлены под ще­лями 2 пода топки 3, выложенного из огнеупорного кир­пича. Ширина щелей 90—125 мм. Воздух для горения поступает снизу. Смешение газа с воздухом, воспламе­нение горючей смеси и горение происходят в щелях над газораспределительными трубами. Стабилизация пла­мени осуществляется раскаленными стенками пода.

При кинетическом горении в топку поступает одно­родная (гомогенная) горючая смесь с необходимым для полного горения воздухом (α 1), количество которого в несколько раз больше количества газа, а для высоко­калорийных газов, например природного,— в 10— 12 раз. Поэтому для воспламенении свежей горючей сме­си, поступившей в топку, вместе с газом до температуры воспламенения необходимо натрепать весь воздух, со­держащийся в воспламеняемом участке факела, что тре­бует мощного источника зажигания.

Надежным источником зажигания горючей смеси, поступающей из смесителя 1 через охлаждаемую водой фурму 2 (рис. 26, в), является система вертикальных щелевых каналов 3 шириной 100—120 мм, образованных огнеупорными перемычками 4. Во время работы стенки каналов раскаляются и служат источником нагревания и зажигания смеси. По мере разогрева огнеупорных пе­ремычек ускоряется процесс прогрева и воспламенения' смеси, что вызывает втягивание горения внутрь каналов. Горение происходит в непосредственной близости с рас­каленными керамическими поверхностями без заметного свечения пламени, и из горелки выходят бесцветные продукты сгорания. Поэтому такой вид горения называ­ется поверхностным, или беспламенным.

Температурные условия работы керамических перемычек очень тяжелы, особенно при сжигании высококалорийного газа. Поэтому щелевые стабилизаторы при­меняются только для сжигания сильно забалластиро­ванных газов с низкой теплотой сгорания, например для доменного газа.

При кинетическом горении природного газа для стабилизации пламени часто используются керамические туннели (рис. 26, г). Из смесителя горелки 1 через насадок 2 горючая смесь поступает в керамический туннель 4, диаметр которого обычно равен 2,5 диаметра выходного отверстия насадка. Струя газовоздушной смеси, выходя из насадкг горелки, расширяется. В головной части туннеля между его стенками и струей образуется замкнутая кольце­вая полость 3, в которой вследствие эжектирующего действия струи создается разрежение. Благодаря раз­режению в полость 3 из факела рециркулируют раскаленные продукты сгорания, которые, смешиваясь с газовоздушной струей, обеспечивают ее нагревание устойчивое воспламенение. Отрыв пламени может произойти лишь при чрезвычайно больших скоростях истечения смеси из горелки, когда теплоты газов, рециркулируемых к корню струи, может стать недостаточно для прогревания и воспламенения большого количества горючей смеси.

Инжекционные горелки полного предварительного смешения получают широкое применение в мелких огнетехнических установках, например в термических кузнечных нагревательных печах, в мелких котлах промышленных и коммунально-бытовых котельных.

Тяжелые температурные условия работы керамиче­ского туннеля требуют периодической остановки агре­гата на несколько дней для его ремонта. Для устране­ния этого недостатка были разработаны кольцевые стабилизаторы к инжекционным горелкам полного пред­варительного смешения.

В кольцевом стабилизаторе (рис. 26, д) часть газовоз­душной смеси из насадка горелки 1 через отверстия малого диаметра 2 попадает в кольцевую полость 3 меж­ду насадком и стабилизатором 4. Суммарная площадь отверстий 2 значительно меньше площади поперечного сечения полости 3. В результате горючая смесь в коль­цевой полости имеет малую скорость движения и обра­зует устойчивое зажигающее кольцо, от которого под­жигается основной факел.

Проскок пламени в горелку обычно происходит в по­граничном слое вытекающей струи, т. е. вблизи стенки насадка или фурмы, где скорость движения газа мини­мальная и при низкой тепловой нагрузке может быть меньше скорости распространения пламени, которая за­висит от температуры горючей смеси. Для снижения тем­пературы горючей смеси вблизи стенок насадка (фурмы) применяют воздушное или водяное охлаждение насад­ка (фурмы). Наиболее эффективно водяное охлаждение, но оно усложняет конструкцию и эксплуатацию горел­ки. Чтобы обеспечить устойчивую работу кинетических инжекционных горелок без охлаждения, были созданы пластинчатые стабилизаторы, совмещающие в себе устройство, которое пред­отвращает отрыв и проскок пламени. Стабилизатор (рис. 26, е) устанавливается па выходе смесителя горел­ки 1. Он представляет собой решетку из пакета пластин 2 толщиной 0,5 мм с расстоянием между ними 1,5 мм, стянутых болтами 5. Узкие щели между пластинами, охлаждаемыми потоком газовоздушной смеси, не допус­кают проскока пламени в горелку, а расположенные по­перек потока скрепляющие болты вызывают образование за ними вихревых токов горячих продуктов сгорания, обеспечивающих надежное поджигание горючей смеси. В современных котельных установках при сжигании газового топлива преимущественно применяется способ горения с незавершенным предварительным перемеши­ванием газа с воздухом. Регулирование про­цесса горения производится путем изменения степени предварительного смешения газа и воздуха в горелке. Интенсификация смесеобразования в горелке вызывает смещение горения в сторону кинетического режима, то повышает полноту горения, но снижает устойчивость факела. Снижение интенсивности смесеобразования, на­оборот, смещает горение в сторону диффузионного режима, что повышает устойчивость факела, но вызывает уве­личение потерь теплоты с химическим недожогом. Сни­жение этих потерь путем увеличения коэффициента избытка воздуха вызывает увеличение потерь теплоты с уходящими газами. Поэтому степень смесеобразования в горелке должна быть такой, при которой потери теплоты не превышали бы нормативных значений и одно­временно обеспечивалась возможность создания устой­чивого воспламенения факела.

Надежным способом повышения устойчивости факе­ла является рециркуляция части топочных газов в ко­рень факела и смешение их с газовоздушным потоком го­релки. Такое подмешивание обеспечивает нагревание и зажигание горючей смеси.

Для создания обратного тока топочных, газов необходимо в корне факела создать область пониженного давления, что возможно осуществить за счет эжектирующего эффекта вытекающей струи. Чтобы создать рециркуляционные токи в приосевую зону потока, применяют закручивание воздушного потока в горелке. В закрученном потоке 1 (рис. 26, ж) возникают центробежные силы, благодаря которым после выхода из горелки поток расходится в стороны, образуя усеченный конус 3. В приосевой и периферийной зонах полого кои/са создаются участки пониженного давления, куда устремляются раскаленные топочные газы. Особенно эффективен осевой поток топочных газов 4. Если периферийный поток 2 поступает из газового объема, частично охлажденного стеной топки и трубами экрана, то осевой поток — из объема с максимальной температурой топочной среды. При этом чем больше степень крутки потока в горелке, тем больше угол раскрытия конуса и корень факела больше получает теплоты рециркулируемых топочных газов. Однако следует учитывать, что подмешивание инертных продуктов сгорания к корню факела вызывает понижение концентрации горючего и окислителя в горючей смеси и может оказать отрицательное влияние на устойчивость воспламенения и скорость горения. Поэтому количество продуктов сгорания, рециркулируемых в корень факела, не должно превышать опре­деленного предела, за которым возможно понижение кон­центрации горючего в смеси до значений, близких к нижне­му пределу воспламенения. Регулирование степени рецир­куляции производится путем изменения интенсивности закручивания потока горелки и его выходной скорости. В камерных топках с факельным процессом весь не­обходимый для горения воздух подают в корень факела. В этом случае & процессе смесеобразования и горения воздух участвует с начала развития факела, что создает благоприятные условия для горения с максимальными потерями от химического и механического недожога при минимальном избытке воздуха. Тогда в зоне воспла­менения вместе с газом нагревается весь необходимый для горения воздух, что, как показано выше, снижает устойчивость воспламенения. Для улучшения условий воспламенения применяют деление воздуха на два по­тока: первичный и вторичный. Топливо вводят в поток первичного воздуха. В этом случае в начальной зоне фа­кела, где происходит воспламенение, топливо смешива­ется только с первичным воздухом, количество которого в 2—3 раза меньше общего расхода воздуха. Поэтому воспламенение первичной смеси протекает с меньшей затратой теплоты от внешнего источника.

В газомазутной горелке (рис. 26, з) для закручива­ния первичного 4 и вторичного 1 воздуха применяют ло­паточный аппарат (регистры) 5, 6. Газ 2 и мазут 3, рас­пыленный форсункой, вводятся в завихренный поток первичного воздуха. Чтобы на выходе из горелки пото­ки сохраняли вихревое движение, оба потока должны закручиваться в одну и ту же сторону. В противном слу­чае, т. е. при закручивании потоков в разные стороны, они после выхода из горелки гасят друг друга и поступа­ют в топку не закрученными. С целью интенсификации процессов смесеобразования угол раскрытия конуса первичного воздуха α₁ делается больше угла раскрытия конуса вторичного воздуха α₂, что обеспечивает пересе­чение потоков и их быстрое перемешивание. С этой же целью скорость выхода из горелки вторичного воздуха ω₂ = 20...30 м/с принимается выше скорости первично­го воздуха ω₁ = 15...20 м/с.

Для интенсификации процесса горения необходимо обеспечить повышенную турбулизацию в зонах основного горения и дожигания. Од­нако рассмотренный вы­ше способ закручивания газовоздушного потока в корне факела ускоряет сме­сеобразование главным об­разом в начальном участ­ке факела. По мере удале­ния от корня факела энер­гия закрученного потока

В современных котель­ных установках для повы­шения эффективности смесеобразования в основной зоне горения применяют циклонные предтопки с двухступенча­тым сжиганием природного газа и мазута (рис. 27). Пер­вичный воздух 4, закрученный лопатками 5, с торца вводится в циклонный подтопок 8. Газ 7 и распыленный мазут 6 подаются в закрученный оток первичного воз­духа.

В первой части предтопка происходят смешение топлива с первичным воздухом, нагревание полученной горючей смеси, ее огневая газификация и воспламене­ние. Вторичный воздух 3, предварительно закрученный лопатками 2, поступает в предтопок через кольцевую щель 1. Закрученные струи вторичного воздуха интен­сифицируют процесс смесеобразования во второй части циклона, где происходит основное горение топлива. Го­рение завершается в топочной камере 9. Опыт эксплу­атации топок с циклонными предтопками показал, что природный газ и мазут в них можно сжигать практиче­ски без потерь с низким коэффициентом расхода возду­ха = 1,03...1,07. Это необходимо для снижения образования серного ангидрида SO , а значит и образования H SO - основного реагента низкотемпературной коррозии.