Лекции по "Газоснабжению"

При кинетическом методе сжигания к месту горения подается газовоздушная смесь. Полностью подготовленная внутри горелки. Газовоздушная смесь сгорает в коротком факеле. Достоинство этого метода сжигания - малая вероятность химического недожога, небольшая длина пламени, высокая теплопроизводительность горелки. Недостаток – необходимость стабилизации газового пламени.

 

 

 

 

 

Рис.1. Методы сжигания газа:

а - диффузионный, б- смешанный, в – кинетический

1 – внутренний конус, 2 – зона  первичного горения, 3 – зона основного горения,

4 – продукты сгорания, 5 – первичный воздух, 6 – вторичный воздух.

Существенным фактором, определяющим надежность работы газовых горелок, является устойчивость горения при изменении расходов газа и воздуха. В практике сжигания газа приходится сталкиваться с нарушением устойчивой работы горелок, вызываемым либо отрывом пламени от насадка горелки, либо проскоком пламени в ее смесительную часть.

Когда скорость распространения пламени в какой-либо точке фронта горения превысит скорость истечения газовоздушной смеси, то фронт горения, перемещаясь навстречу движению смеси, может проникнуть в огневое отверстие, а затем в смеситель горелки и возникает проскок пламени. А в тех случаях, когда скорость газовоздушной смеси во всех точках фронта горения превышает скорость распространения пламени, то фронт горения отрывается от огневого отверстия и пламя гаснет, происходит отрыв пламени.

Из факторов, влияющих на отрыв и проскок пламени, необходимо выделить: состав газа и газовоздушной смеси, диаметр выходного отверстия насадка, режим истечения смеси и конструктивные особенности горелок. Так, например, чем больше скорость распространения пламени, зависящая от состава газа, тем больше скорость выхода газовоздушной смеси, при которой наступает отрыв пламени. В частности, природный газ, содержащий более 90% метана и имеющий сравнительно низкую скорость распространения пламени, имеет и низкие пределы отрыва пламени. Наоборот, сланцевый и коксовый газы, содержащие компоненты с высокими скоростями распространения пламени (водород), имеют более высокие скорости отрыва.

С увеличением диаметра выходного сечения горелки возрастает скорость истечения газовоздушной смеси, при которой наступает отрыв пламени.

Установлено, что, чем  больше калибр горелки, тем при большей скорости истечения газовоздушной смеси наступает проскок пламени.

Обычно отрыв пламени происходит при розжиге или выключении горелок, а во время работы – из-за быстрого изменения нагрузки или коэффициента избытка воздуха. Отрыв пламени приводит к загазовыванию топки и газоходов, что может повлечь за собой взрыв газовоздушной смеси с последующими серьезными разрушениями. Проскок пламени чаще всего происходит при неправильном зажигании и выключении горелки, а также при быстром снижении ее производительности. В результате проскока может произойти перегрев горелки или хлопок внутри нее, а также прекращение горения и загазовывание помещения.

Устойчивость  пламени в большинстве промышленных горелок достигается применением специальных стабилизаторов, которые имеют различное конструктивное исполнение. Наибольшее распространение в качестве стабилизаторов получили керамические туннели, зажигательные пояса, тела плохо обтекаемой формы. Проскок пламени можно предотвратить, увеличив скорость выхода газовоздушной смеси из насадка горелки и отводом от него тепла. Конструктивно это достигается сужением насадка на выходе и установкой теплоотводящих ребер, пластин, решеток с большим числом мелких отверстий, воздушным и водяным охлаждением насадка.

При охлаждении насадка горелки водой, воздухом или газом уменьшается скорость распространения пламени в газовоздушной смеси и тем самым уменьшается вероятность проскока пламени в смесительную часть горелки.

 

 

 

 

Классификация газовых горелок

 

Газогорелочные  устройства предназначены для подачи к месту горения определенного количества газа и воздуха, а также для создания условий их перемешивания и воспламенения, кроме этого горелка должна обеспечивать стабилизацию факела. Независимо от типа большинство газовых горелок имеет общие конструктивные элементы: устройство для подвода газа и воздуха, камеру смешения, горелочный насадок и стабилизирующее устройство. В некоторых конструкциях горелок какие-то элементы могут отсутствовать или компоноваться одной деталью.

Основными характеристиками горелочных устройств являются: давление газа, тепловая мощность, коэффициент предельного регулирования, коэффициент избытка воздуха.

Газовые горелки  могут работать при различном  избыточном давлении газа в зависимости от давления газа в газовых сетях и конструктивного исполнения. Давление газа перед горелкой подразделяют на номинальное, максимальное и минимальное. Под максимальным и минимальным давлением понимаются давления газа, в диапазоне которых горелка работает устойчиво без проскока и отрыва пламени. Номинальное давление соответствует номинальной тепловой мощности горелки.

Горелки низкого  давления работают на давлении до 5кПа, среднего – от 5кПа до 0,3МПа и высокого – свыше 0,3МПа.

Тепловая  мощность горелки – это количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании часового расхода газа определенной теплоты сгорания, кДж/ч (кВт)

,

где - низшая теплота сгорания газа, кДж/м³;

     В – расход газа, м³/ч.

Различают максимальную, номинальную и минимальную тепловую мощность горелок. Максимальная тепловая мощность достигается при длительной работе горелки без нарушения устойчивости работы при максимальных расходах газа и составляет 90% мощности, соответствующей верхнему пределу работы горелок. Минимальная тепловая мощность – это мощность, обеспечивающая устойчивую работу при наименьших расходах газа (составляет 1,1 от мощности, соответствующей нижнему пределу работы горелки). Номинальная тепловая мощность достигается при длительной работе горелки с минимальным коэффициентом избытка воздуха, обеспечивающим полноту сгорания газа или неполноту сгорания,  не превышающую установленных норм.

Коэффициент предельного регулирования горелки  по тепловой мощности является важной эксплуатационной характеристикой и представляет отношение максимальной тепловой мощности к минимальной

.

В соответствии с ГОСТ 21204-97 по способу подачи воздуха и коэффициенту избытка первичного воздуха горелки подразделяют на: диффузионные с , инжекционные с >1 и <1 и горелки с принудительной подачей воздуха (дутьевые).

Диффузионные горелки. Наиболее простые по конструкции горелки представляют собой трубу с просверленными отверстиями для выхода газа. Горение в таких горелках происходит за счет вторичного воздуха, который поступает из окружающей среды. Процессы смешения газа и воздуха и процесс горения происходят параллельно на выходе газа из горелки. Достоинства таких горелок – простота конструкции, удобство и безопасность эксплуатации, высокая устойчивость пламени к отрыву и проскоку (проскок в таких горелках вообще невозможен), широкие пределы регулирования тепловой мощности горелки. Используют горелки данного типа при сжигании природных и сжиженных газов в том случае, когда требуется получение длинного светящегося пламени, например, в печах для производства удобрений, мартеновских, стекловарочных печах. К промышленным горелкам диффузионного типа относятся подовые щелевые горелки, представляющие собой трубу диаметром до 50мм, с просверленными в ней отверстиями, расположенными в два ряда. Коллектор горелки расположен над колосниковой решеткой в кирпичном канале, который представляет собой щель в поде котла. Процесс смешения газа с воздухом осуществляется в специальной щели, сделанной из огнеупорного кирпича. Воздух под колосниковую решетку подается вентилятором или в результате разряжения в топке. К недостаткам диффузионных горелок относят в первую очередь возможность загрязнения атмосферы продуктами неполного сгорания газа и необходимость некоторого повышения коэффициента избытка воздуха по сравнению с горелками, работающими по принципу кинетического горения.

Инжекционные горелки. Горелки данного типа подразделяются на горелки частичного предварительного смешения и полного предварительного смешения газа с воздухом.  В горелках первого типа в топочную камеру или в атмосферу подается частично подготовленная смесь газа с некоторым количеством первичного воздуха ( <1). Обычно эти горелки работают на газе низкого давления. В горелках, установленных на бытовых газовых приборах, вторичный воздух поступает к факелу из атмосферы, поэтому иногда горелки называют атмосферными. Горелки обладают хорошей устойчивостью к отрыву и проскоку пламени. В горелках полного предварительного смешения в топочную камеру подается заранее подготовленная однородная смесь с полным количеством воздуха, необходимым для горения. При горении образуется короткое пламя, то есть процесс горения протекает по кинетическому принципу. В горелке автоматически обеспечивается соотношение газа и воздуха независимо от изменения давления. Данные горелки имеют низкую устойчивость к образованию отрывов и проскоков, поэтому требуют установки стабилизирующих устройств. Работают на газе среднего давления.

Основными элементами инжекционных горелок являются регулятор первичного воздуха, форсунка, смеситель и коллектор. Регулятор первичного воздуха представляет собой вращающуюся шайбу или диск, регулирует количество первичного воздуха, поступающего в горелку. Форсунка служит для придания газовой струе скорости, которая обеспечила бы подсос необходимого количества воздуха. Инжектор, конфузор и диффузор представляют смеситель горелки. Инжектор создает разряжение и подсос воздуха, конфузор (самая узкая часть смесителя) выравнивает струю газовоздушной смеси, а диффузор обеспечивает окончательное перемешивание газовоздушной смеси и увеличение ее давления за счет снижения скорости. Коллектор предназначен для распределения газовоздушной смеси по отверстиям. Его форма и расположение отверстий зависят от типа и назначения горелок.

Одной из важных характеристик инжекционных горелок  является коэффициент инжекции, представляющий собой отношение объема инжектируемого воздуха к объему воздуха, необходимого для полного сгорания газа. Например, если для полного сгорания газа необходимо 10м³, а количество первичного воздуха составляет 3м³, то коэффициент инжекции равен 0,3.

Одним из достоинств инжекционных горелок является поддержание  постоянной пропорции между количеством  подаваемого в горелку газа и количеством инжектируемого воздуха при постоянном давлении газа.

Горелки полного  предварительного смешения газа с воздухом работают в диапазоне давления от 5кПа до 0,5МПа. Применяются в основном в отопительных котлах и для обогрева промышленных печей. Данные горелки подразделяют на два типа: с металлическими стабилизаторами и огнеупорными насадками. Пластинчатый стабилизатор обеспечивает устойчивую работу горелки без проскока и отрыва пламени. Состоит стабилизатор из стальных пластин толщиной 0,5мм при расстоянии между ними 1,5мм. Между собой пластины стягиваются стальными стержнями, которые на пути движения газовоздушной смеси создают зону обратных токов горячих продуктов сгорания и непрерывно поджигают газовоздушную смесь. В горелках с огнеупорными насадками газ сгорает с образованием малосветящегося пламени, которое компенсируется излучением раскаленных огнеупорных материалов. Газовоздушная смесь у этих горелок приготавливается с небольшим избытком воздуха и поступает в раскаленные огнеупорные каналы, где нагревается и сгорает. Преимуществами беспламенного сжигания газа являются полное сгорание, возможность сжигания газа с небольшими избытками воздуха, возможность достижения высоких температур горения, передача значительного количества теплоты инфракрасными лучами. Насадки горелок бывают керамические, металлокерамические и металлические. Наиболее распространены горелки с насадками правильной геометрической формы из керамических плиток. В металлокерамических насадках металлическая сетка располагается на расстоянии 8…12мм над керамической плиткой. Применение сетки позволяет повысить теплоотдачу излучением, улучшить равномерность нагрева насадка и полноту сгорания газа. Металлический насадок состоит из сеток или перфорированных плит. Для защиты от ветра горелка оборудуется специальным кожухом. Беспламенные горелки получили название горелок инфракрасного излучения.

Горелки с принудительной подачей воздуха. Необходимый для горения воздух подается вентилятором. В схеме обвязки горелок предусмотрен клапан блокировки, который отключает подачу газа при прекращении подачи воздуха. В зависимости от конструкции горелки данного типа работают на газе низкого и среднего давлений. Применяются для установки в промышленных теплоагрегатах с небольшим объемом топки и в сушильных печах.

К основным достоинствам данных горелок относятся возможность  сжигания большого количества газа, возможность  подогрева газа и воздуха.

Наряду с  приведенной классификацией горелки  можно разделить по ряду других признаков: по номинальному давлению газа и воздуха, теплоте сгорания газа, номинальной относительной длине пламени, номинальной тепловой мощности.

Выделяют  также горелки, сжигающие одновременно несколько видов топлива или позволяющие переходит с одного топлива на другое – комбинированные горелки. К ним относят газо-мазутные, пыле-газовые, пыле-газо-мазутные горелки.

 

Пересчет  горелок при изменении характеристик  газа

 

Иногда при эксплуатации возникает необходимость переделки  горелок в связи с изменением теплоты сгорания и плотности газового топлива, так как работа горелок на газе с теплотой сгорания и плотностью, отличающимся от расчётных, приводит к изменению тепловой мощности и ухудшению условий сгорания.

       Инжекционные горелки низкого давления ( <1,0). Для сохранения неизменной тепловой мощности инжекционной горелки низкого давления при переходе  на газовое топливо иного состава необходимо изменить диаметр газового сопла. Диаметр нового сопла определяется по формуле

,

где d – диаметр газового сопла при работе на газе первоначальной теплоты сгорания, мм;

, - расчётная и действительная теплота сгорания газа, МДж/ ;

и - расчётная и действительная плотность газа, кг/ ;

 p – расчётное давление газа, Па;

- давление при работе на  газе иного состава, Па.

Если давления газа в  сети достаточно для сохранения тепловой мощности горелки, можно (не меняя конструктивных размеров) изменить давление газа перед горелкой. Новое давление, Па, определится по формуле

.

Далее необходимо поверочным расчётом убедиться, что диапазон устойчивой работы горелки не будет меньше установленного значения.

      Инжекционные горелки низкого и среднего давления ( ). Для того, чтобы сохранить неизменную тепловую мощность горелок низкого и среднего давления при переходе на газ иного состава, надо изменить диаметр газового сопла для обеспечения подсасывания необходимого количества воздуха. Новый диаметр можно определить по формуле