Газогорелочные устройства (горелки), типы и основные параметры
Газогорелочные устройства (горелки) предназначены для подачи к месту горения в зависимости от технологических требований подготовленной газовоздушной смеси или раздельно газа и воздуха, а также для обеспечения устойчивого сжигания газового топлива и регулирования процесса горения.
Газогорелочные устройства (горелки) предназначены для подачи к месту горения в зависимости от технологических требований подготовленной газовоздушной смеси или раздельно газа и воздуха, а также для обеспечения устойчивого сжигания газового топлива и регулирования процесса горения. Комбинированные газомазутные и пылегазовые горелки позволяют сжигать одновременно или раздельно газ и мазут или газ и угольную пыль.
К горелкам предъявляют следующие требования:
- основные типы горелок должны изготавливаться на заводах серийно по техническим условиям. Если горелки изготовляют по индивидуальному проекту, то при вводе в эксплуатацию они должны пройти испытания для определения основных характеристик;
- горелки должны обеспечивать пропуск заданного количества газа и полноту его сжигания с минимальным коэффициентом расхода воздуха α, за исключением горелок специального назначения (например, для печей, в которых поддерживается восстановительная среда);
- при обеспечении заданного технологического режима горелки должны обеспечить минимальное количество вредных выбросов в атмосферу;
- уровень шума, создаваемого горелкой, не должен превышать 85 дБ при измерении шумомером на расстоянии 1 м от горелки и на высоте 1,5 м от пола;
- горелки должны устойчиво работать без отрыва и проскока пламени в пределах расчетного диапазона регулирования тепловой мощности;
- у горелок с предварительным полным смешением газа с воздухом скорость истечения газовоздушной смеси должна превышать скорость распространения пламени;
- для сокращения расхода электроэнергии на собственные нужды при использовании горелок с принудительной подачей воздуха сопротивление воздушного тракта должно быть минимальным;
- для уменьшения эксплуатационных расходов конструкция горелки и стабилизирующие устройства должны быть достаточно просты в обслуживании, удобны для ревизии и ремонта;
- при необходимости сохранения резервного топлива горелки должны обеспечивать быстрый перевод агрегата с одного топлива на другое без нарушения технологического режима;
- комбинированные газомазутные горелки должны обеспечивать примерно одинаковое качество сжигания обоих видов топлива – газового и жидкого (мазута).
Образцы вновь создаваемых и действующих газогорелочных устройств подлежат государственным испытаниям.
Главной характеристикой горелки является её тепловая мощность, под которой понимают количество теплоты (ккал/ч), способное выделиться при полном сгорании газа, поданного через горелку. Тепловую мощность можно подсчитать, умножив расход газа (м3/ч) на его низшую теплоту сгорания (ккал/м3).
Основные параметры горелок определены ГОСТ 17356-71:
- номинальная тепловая мощность — максимально достигнутая мощность при длительной работе горелки, химической неполноте сгорания, не превосходящей установленной нормы, и при принятом минимальном α;
- номинальное давление газа (воздуха) перед горелкой — давление газа (воздуха), соответствующее номинальной тепловой мощности при атмосферном давлении в камере сгорания;
- номинальная относительная длина факела — расстояние по оси факела от выходного сечения горелки, измеренное при номинальной тепловой мощности в калибрах выходного отверстия, до точки, где концентрация СО2 при αг =1 составляет 95% от максимального значения;
- коэффициент предельного регулирования горелки по тепловой мощности — отношение максимальной тепловой мощности и минимальной. Максимальная мощность составляет 0,9 от мощности, соответствующей верхнему пределу устойчивой работы горелки, а минимальная — 1,1 от мощности, соответствующей нижнему пределу устойчивой работы горелки;
- коэффициент рабочего регулирования горелки по тепловой мощности — отношение номинальной тепловой мощности к минимальной;
- удельная теплоемкость — отношение массы горелки к номинальной тепловой мощности;
- шумовая характеристика горелки — уровень звукового давления, создаваемого работающей горелкой в зависимости от спектра частот.
ГОСТ 17357-71 классифицирует газовые горелки по следующим 6 главным признакам:
- способ подачи воздуха на горение:
- за счет разрежения в топке или конвекции;
- инжекция воздуха газом;
- инжекция газа воздухом;
- принудительно без смешения с газом в горелке;
- принудительно с образованием газовоздушной смеси в горелке;
- принудительно от вентилятора, ротор которого вращается за счет энергии газа;
- номинальное давление газа и воздуха;
- теплота сгорания газа;
- номинальная тепловая мощность;
- номинальная относительная длина факела;
- локализация пламени, под которой понимают метод сжигания газа:
- в свободном факеле;
- в огнеупорном туннеле и камере;
- на огнеупорной поверхности;
- в пористой, перфорированной или зернистой огнеупорной массе.
Горелки с поступлением воздуха к месту горения за счет разрежения или конвекции
При работе горелки в открытом пространстве воздух к месту горения поступает в основном за счет конвекции и частично за счет инжектирующей способности горящего факела.
При установке горелки в топку агрегата воздух к месту горения поступает в основном за счет разрежения в топке и частично за счет конвекции. Смешение газа с воздухом осуществляется не в самой горелке, а за ней — в амбразуре или топке одновременно с процессом горения. Такие горелки называют горелками внешнего смешения или диффузионными, они просты по устройству и практически бесшумны. Диффузионный факел наиболее устойчив по отношению к отрыву, проскок пламени невозможен. Однако по сравнению с горелками с предварительной подготовкой газовоздушной смеси длина факела у них больше, что соответственно требует наличия больших объемов топки. Полнота сгорания газа достигается при меньших тепловых напряжениях топочного объема и большем α, значение которого зависит от разрежения в топке.
Диаметр газовых отверстий в таких горелках принимают 0,5-3,0 мм, а расстояние между ними в зависимости от их диаметра и характеристики сжигаемого газа — от 4 до 16 диаметров отверстий. При большем расстоянии пламя не сможет переходить от одного отверстия к другому. Наоборот, при малом расстоянии между отверстиями пламени будут сливаться в одно, затрудняя подход воздуха к каждому факелу в отдельности, что ухудшает перемешивание газа с воздухом и приводит к неполноте горения.
Для повышения эффективности работы эти горелки обычно изготовляют с 2 рядами отверстий под углом 60-90° друг к другу. Кроме того, их устанавливают над колосниками или перфорированными металлическими листами, через отверстия которых к газовым отверстиям более или менее организованно поступает воздух. Побудительной силой для движения воздуха является разрежение в топке, создаваемое дымовой трубой или дымососом.
Горелки с инжекцией воздуха газом
Горелки этого типа называются инжекционными, так как воздух в них подсасывается (инжектируется) за счет энергии газовых струй, выходящих из одного или нескольких сопл. У односопловой горелки струя газа, поступающего из газопровода под давлением, выбрасывается из сопла с большой скоростью, в результате чего в инжекторе смесителя создается разрежение. За счет разрежения окружающий воздух подсасывается в горелку и при движении вдоль смесителя смешивается с газом. Газовоздушная смесь проходит через горло смесителя (узкая часть), выравнивающее струю смеси, и поступает в его расширяющуюся часть — диффузор, где скорость смеси снижается, а давление возрастает. После диффузора газовоздушная смесь поступает или в конфузор, где её скорость увеличивается до расчетной, и через устье подается к месту горения, и ли в коллектор с огневыми отверстиями. Выходя из этих отверстий, газовоздушная смесь сгорает в виде маленьких голубовато-фиолетовых факелов с внутренним конусом зеленовато-голубого цвета.
Инжекционные горелки делят на горелки среднего давления, способные инжектировать весь воздух, необходимый для полного сгорания газа, и горелки низкого давления, чаще всего инжектирующие только часть воздуха, который называют первичным. Остальной воздух — вторичный — поступает в зону горения за счет разрежения в топке или за счет конвекции в атмосфере. Устойчивая работа горелок среднего давления без отрыва пламени возможна только при наличии стабилизатора пламени. Горелки низкого давления могут работать без специальных стабилизирующих устройств.
Характерной особенностью работы инжекционных горелок является зависимость коэффициента расхода первичного воздуха α перв от разрежения (противодавления) в топке. При постоянном положении воздушной заслонки с ростом разрежения α перв увеличивается, с ростом противодавления уменьшается. Чем больше давление инжекторного газа, тем меньше сказывается эта зависимость: наибольшее влияние разрежение (противодавление) в топке оказывает на работу горелок низкого давления, минимальное — на работу горелок среднего давления при давлении перед соплом более 0,4-0,5 кгс/см2.
Некоторые конструкции инжекционных горелок не имеют диффузорной части (инжекция и смешение происходят в цилиндрическом смесителе) и регулирующей воздушной заслонки.
Основные достоинства: отсутствие затрат электроэнергии на привод вентилятора для подачи воздуха, автоматическое поддержание в определенных пределах расчетного соотношения количеств газа и инжектируемого воздуха и их хорошее перемешивание. Недостатки: ограниченный диапазон регулирования при значении α около 1, высокий уровень шума при использовании газа среднего и высокого давления, зависимость инжекционной способности от степени разрежения в топке, трудность использования подогретого воздуха.
Горелки с инжекцией газа воздухом
Горелки, инжектирующие газ воздухом, являются горелками с принудительной подачей воздуха и часто называются горелками с активной воздушной струей. В них для подсоса газа используется энергия струй сжатого воздуха, а давление газа перед горелкой поддерживается постоянным с помощью специального регулятора. Так как масса воздуха, необходимого для горения, значительно больше массы сжигаемого при этом газа, то для образования газовоздушной смеси с расчетным α при инжекции газа воздухом необходимое давление последнего может быть обеспечено вентилятором. Важным достоинством горелок является возможность их использования на холодном или подогретом воздухе в топках с большим противодавлением или переменным давлением. Подача газа в смеситель возможна со скоростью, близкой к скорости воздуха. Недостаток – необходимость установки специального регулятора на каждую горелку или группу горелок.
Горелки с принудительной подачей воздуха без предварительной подготовкой газовоздушной смеси
В горелках этого типа смешение газа с воздухом осуществляется вне горелки одновременно с горением газа, и длину факела практически определяет путь, на котором это смешение заканчивается. В свою очередь, путь смешения зависит от конструкции горелки и соотношения скоростей выхода газа и воздуха. При необходимости удлинения факела потоки газа и воздуха, выходящие из устья горелки, направляют параллельно друг другу, а давление газа и воздуха принимают возможно более близкими. Для укорочения факела газ подают в виде струек, направленных под углом к потоку воздуха, осуществляют крутку воздуха, увеличивают разницу в давлениях газа и воздуха и т.п.
По методу подготовки смеси и процессу горения эти горелки являются диффузионными, проскок пламени у них невозможен. По отношению к отрыву факел более устойчив, чем у других горелок, что позволяет регулировать тепловую мощность в широком диапазоне. Если по технологическому процессу требуется длинный факел регулируемой длины и равномерное распределение температур по объему печи (например, печи для обжига цементного клинкера), то это достигается применением диффузионных горелок. В печах с особо высокотемпературным режимом (мартеновские, стекловаренные и т.п.), где воздух приходится подогревать до 800-1000° С и более, тоже используют в основном диффузионные горелки: предварительное смешение газа с воздухом, нагретым до этих температур, приведёт к воспламенению смеси в горелки до выхода в топку.
В котлах диффузионные горелки с принудительной подачей воздуха также нашли применение: при переводе котлов с твердого на газовое топливо для обеспечения равномерности распределения тепловых потоков – подовые горелки, при необходимости сохранения резервного твердого топлива – вертикальные щелевые и др.
Горелки с принудительной подачей воздуха и предварительной подготовкой газовоздушной смеси
Горелки с принудительной подачей воздуха и предварительной подготовкой смеси имеют наибольшее распространение. Расход газа через эти горелки может быть очень малым (доли кубометра в час) и очень большим (5000 м3/ч и более). В горелках этого типа можно обеспечить заранее заданное качество подготовки смеси до выхода её в амбразуру или топку. Для ускорения процесса смешения газ чаще всего подается через ряд щелей или отверстий, оси которых направлены под углом к потоку воздуха. При подаче газовых струй в поток воздуха от центра к периферии горелки называют «с центральной подачей газа», при подаче от периферии к центру - «с периферийной подачей газа».
Во многих горелках воздух подают к месту смешения с газом закрученным потоком. Наиболее распространенные устройства для крутки: направляющие лопаточные аппараты с постоянным или регулируемым углом установки лопаток, улиточная форма корпуса горелки, тангенциальная подача воздуха в цилиндрический корпус. В горелках для котлов большой производительности применяют также тангенциальные лопаточные закручиватели. Увеличение степени крутки интенсифицирует процессы смесеобразования и горения топлива, но при этом возрастает сопротивление горелки и расход электроэнергии.
В зависимости от конструкции горелки качество смешения газа с воздухом может быть самым различным: в смесительной камере может только начинаться подготовка газовоздушной смеси, заканчиваясь вместе с процессом горения, а может быть в ней полностью подготовлена для сгорания. Смесительная камера горелки обычно имеет небольшой объем, а скорость вылета смеси из устья при номинальной тепловой мощности 10-50 м/с.
Комбинированные горелки — газомазутные и пылегазовые, как правило, имеют принудительную подачу воздуха. Мазутная форсунка располагается по оси горелки и в зависимости от принятой конструкции во время работы на газе удаляется или отодвигается от устья во избежания перегрева. Для сжигания мазута используется воздух, поступающий через те же воздухонаправляющие устройства, которые служат при работе на газовом топливе.
По материалам книги «Сжигание газов в топках котлов и печей и обслуживание газового хозяйства предприятий» Чепель В. М., Шур И. А. 1980 г.