книги / Основы газоснабжения

ются эмпирическими зависимостями.

Турбулизация потока газовоздупшой смеси в горелках позво­ ляет интенсифицировать горение и уменьшить длину факела. Независимо от режима движения газовоздупшой смеси наличие в ней балластных компонентов снижает нормальную скорость распространения пламени.

§ Х.6. Устойчивость горения. Стабилизаторы

Под устойчивостью горения понимают постоянство местона­ хождения пламени относительно огневых отверстий горелки, обеспечиваемое равенством нормальной скорости распространения пламени и противоположно направленной нормальной составля­ ющей скорости потока газовоздупшой смеси.

При ламинарном истечении наиболее устойчивой является часть пламени, примыкающая к кромкам огневых отверстий, так как в краевых слоях потока скорости истечения смеси, уменьшен­ ной торможением о стенки огневых каналов, соответствует пони­ женная за счет охлаждения теми же стенками скорость распро­ странения пламени. Благодаря этому у основания факела со­ здается огневой зажигательный поясок, стабилизирующий процесс горения в определенном диапазоне расхода смеси.

С увеличением расхода смеси ламинарный режим переходит в турбулентный, зажигательный поясок «размывается», устойчи­ вость горения нарушается и пламя отрывается от горелки. Наобо­ рот, с уменьшением расхода скорость распространения пламени в пристенной зоне потока может превысить скорость истечения смеси и пламя втягивается внутрь горелки. Первое явление называют отрывом, второе — проскоком или обратным ударом пламени.

При полном отрыве пламя гаснет, а при частичном — занимает относительно устойчивое положение на некотором расстоянии от горелки. Отрыв пламени в любом виде недопустим, так как при полном отрыве несгоревший, газ, а при частичном — продукты незавершенного горения могут образовать в окружающей атмо­ сфере или топке взрывоопасные или токсичные смеси. Отрыв пла­ мени возможен при увеличенииг давления газа перед горелкой сверх допустимых пределов, чрезмерном увеличении разрежения в топке, обеднении газовоздушной смеси воздухом, сопровожда­ ющемся уменьшением скорости распространения пламени, и по другим причинам. Отрыв пламени зависит от диаметров огневых отверстий и содержания первичного воздуха в смеси (рис. Х.4). С увеличением диаметров огневых отверстий увеличивается ско­ рость истечения смеси, при которой происходит отрыв пламени. Увеличение содержания первичного воздуха в смеси (т. е. воздуха,

191

поступающего в горелку) приводит к снижению скорости отрыва пламени.

Проскок пламени происходит, когда скорость истечения газовоздушной смеси становится меньше скорости распространения пламени (у инжекционных горелок, например, при уменьшении давления газа ниже расчетного предела). В этом случае пламя может погаснуть, обычно с хлопком, или переместиться в смеси­ тель горелки, перегревая его и препятствуя притоку первичного

а

Диаметры огневых отверстийг мм

Рис. Х.4. Скорости отрыва пламени в открытой атмо­ сфере смесей природного газа с воздухом В зависимости от размера огневых отверстий и содержания первичного воздуха.

а — многофакельная, б —однофакельная горелка.

воздуха. Проскок пламени недопустим, так как приводит к исте­ чению из горелки несгоревшего газа или продуктов незавершен­ ного горения, а также перегреву горелки. Приближенные зна­ чения скоростей смесей природного газа с воздухом, при которых происходит проскок пламени, приведены для многофакельных инжекционных горелок в табл. Х.5, для однофакельных — на рис. Х.5.

Таким образом, пределы устойчивой работы горелок ограничи­ ваются скоростями отрыва и проскока пламени. На рис. Х.6 показаны кривые, характеризующие пределы устойчивого горе­ ния смеси природного газа с воздухом в зависимости от содержания первичного воздуха и размеров огневых отверстий горелок. При заданном содержании первичного воздуха превышение скорости истечения смеси из огневых отверстий выше значений, ограничен­ ных кривыми 1, ведет к отрыву пламени, а понижение этой ско­ рости ниже значений кривых 2 приводит к проскоку. При содер­ жании в смеси первичного воздуха менее величин, ограниченных

192

кривыми 5, возникают желтые языки пламени, связанные с обра­ зованием сажистых частиц. Для завершения процесса горения необходимо обеспечить подвод доста­ точного количества вторичного воздуха и условия для нормального развития факела пламени без соприкосновения его с охлажденными поверхностями.

Характер кривых на рис. Х.6 свиде­ тельствует о том, что диапазон устойчи­ вого горения газовоздушных смесей,

душной смеси. Устойчивость горения в^ керамических туннелях не нарушается при скоростях выхода газовоэдушной смеси из горелки 100 м/сек и более. Так же, , как и в туннелях, отрыв пламени предотвращается рециркуляцией раскалённых

193

продуктов горения при размещении в центре потока газовоздушной смеси тел плохообтекаемой формы (см. рис. Х.7, б), В кольцевом стабилизаторе (см. рис. Х.7, в) отрыв пламени пре-

Пербичный боздух, %от теоретически необходимого

Рис,. Х.6. Пределы устойчивого горения для смесей природного гаэа

своздухом.

1— отрыв пламени; 2 —проскок; 3 —появление желтых краев; диаметры выходных отверстий горелки, дюймы: 4 —1/2, 5 —1, 6 —11/4.

Рис. Х.7. Примеры устройств для стабилизации пламени.

а—цилиндрический керамический туннель; б —тело плохообтека­ емой формы; в —кольцевой стабилизатор; г — пластинчатый.

дотвращается тем, что небольшая часть горючей смеси проходит через боковые отверстия 1 и за счет небольшой скорости истече­ ния из канала 2 образует устойчивое огневое кольцо, поджигаю­ щее основной центральный поток смеси. Проскок пламени внутрь

194

горелки в этих случаях исключается созданием скоростей исте­ чения смеси, в несколько раз превышающих скорость распростра­ нения пламени.

В пластинчатом стабилизаторе (см. рис. Х.7, г), представляю­ щем решетку из металлических пластин 4, стянутых цилиндриче­ скими стержнями 3, отрыв пламени предотвращается рециркуля­ цией продуктов горения за стержнями, а проскок пламени — размещением пластин с зазором между ними меньше критического. Для предотвращения отрыва пламени и нарушения стабильности горения применяют также горки из огнеупорного кирпича, ста­

§ Х.7. Методы сжигания газа

Горение газа складывается из смесеобразования, подогрева га­ зовоздушной смеси до температуры воспламенения и стадии хими­ ческой реакции горения, т. е.

Поскольку подогрев и химическая реакция горения смеси протекают весьма быстро, основным фактором, лимитирующим длительность процесса горения, является время, затрачиваемое на перемешивание газа и воздуха. От быстроты и качества пере­ мешивания газа с необходимым количеством воздуха в горелке определенной конструкции зависят скорость и полнота сгорания газа, длина и температура пламени. В зависимости от места и. способа смесеобразования методы сжигания газа условно под­ разделяют на диффузионный, кинетический и смешанный. Схе­ матически эти методы представлены на примере инжекционной горелки (рис. Х.8).

При диффузионном методе сжигания (рис. Х.8, а) к месту горе­ ния из горелки поступает только газ (аг = 0), а весь необходимый для его горения воздух поступает из внешней среды за счет моле­ кулярной, а при большой скорости истечения газа и за счет тур­ булентной диффузии. В этом случае к струе холодного газа 1 от периферии диффундирует воздух, а из струи газа к периферии — газ. В результате вблизи струи газа создается газовоздушная смесь горючей концентрации, горение которой образует зону первичного горения газа 2. В зоне 3 происходит горение основной части газа, в зоне 4 движутся продукты сгорания. Взаимная диффузия газа и воздуха, осложняемая выделением продуктов;

195

сгорания, протекает медленно, с образованием вследствие тер­ мического разложения углеводородов сажистых частиц. Поэтому характерными особенностями диффузионкого -метода сжигания являются светимость и значительная длина пламени.

е К преимуществам такого метода сжигания можно отнести: вы­ сокую устойчивость пламени в широком диапазоне изменения теп-

Рис. Х.8. Схема строения газового пламени.

ловых нагрузок, невозможность проскока, относительную равно­ мерность температуры по длине пламени. Недостатками этого метода являются: низкая интенсивность горения, неизбежность термического распада углеводородов, потребность в больших топочных объемах, обеспечивающих развитие пламени без сопри­ косновения с теплообменными поверхностями, вероятность хими­ ческого недожога даже при значительном коэффициенте расхода

воздуха.

При кинетическом методе сжигания (см. рис. Х.8, в) к месту горения подается заранее подготовленная внутри горелки одно­ родная смесь газа с количеством первичного воздуха, несколько превышающим теоретически необходимое (аг = 1,02 1,05). Сго­ рание такой с^еси происходит быстро, в коротком прозрачном факеле, без видимого образования продуктов термического рас­ пада углеводородов.

196

Достоинствами этого метода сжигания являются высокая теплопроизводительность, малая вероятность химического недожога и небольшая длина пламени, а недостатком — необходимость стабилизации пламени.

При смешанном методе сжигания (см. рис. Х.8, б) часть воз­ духа в виде первичного подмешивается к газу за счет инжекции в самой горелке (0 < Ja r <<1)» а остальной воздух, необходимый для завершения полного сгорания газа, в качестве вторичного диффундирует в зону горения из внешней среды. Факел получается более коротким и менее светящимся, чем при диффузионном горе­ нии. Светящаяся оболочка зоны первичного горения газа 2 при количестве первичного воздуха более 40—50% от теоретически необходимого становится весьма тонкой, чем и объясняется не­ большая светимость факела в этом случае. Инжекционные го­ релки, сжигающие газ по смешанному методу, часто называют горелками неполного или частичного предварительного смеше­ ния. Частный случай смешанного метода имеет место при неза­ вершенности перемешивания газа с полным количеством воздуха в горелке. Продолжение смесеобразования в объеме 'факела после

Газовыми горелками называются устройства, предназначенные для образования горючих газовоздушных смесей и устойчивого их сжигания при требуемых тепловых мощностях. В соответствии с ГОСТ 17357—71 газовые горелки классифицируются по способу подачи воздуха на горение, номинальному давлению газа и воз­ духа, теплоте сгорания газа-, номинальной тепловой мощности, длине факела и методу стабилизации факела. По способу подачи воздуха различают горелки: с подачей к ним воздуха из окружаю­ щей среды за счет разрежения или конвекции; обеспечивающие смесеобразование за счет инжекции воздуха газом или газа воз­ духом; с принудительной подачей воздуха, в том числе без пред­ варительного смешения его с газом и с предварительным смеше­ нием. По номинальному давлению газа различают горелки низ­ кого (до 500 кгс/м2), среднего (свыше 500 до 10 000 кгс/м2) и высо­ кого* (свыше 10 000 кгс/м2) давления. Соответственно номинальное давление воздуха, подаваемого в горелку, подразделяют на низ­ кое (до 100 кгс/м2), среднее (свыше 100 до 300 кгс/м2) и высокое (свыше 300 кгс/м2). Основными показателями горелки являются: номинальная тепловая мощность, соответствующие ей номиналь­ ные давления газа и воздуха и пределы регулирования горелки по тепловой мощности. Дополнительно горелку характеризуют номинальная длина факела (относительно калибра выходного

197

отверстия), удельная металлоемкость, давление (разрежение) в камере сгорания и шумовые качества.

Рассмотрим некоторые конструкции отдельных горелок, явля­ ющихся характерными представителями вышеуказанных групп. Подовая горелка низкого давления (рис. Х.9) представляет собой заглушенную с одного торца трубу 1 с двумя рядами отверстий, расположенных под 90° друг к другу. Труба помещена в щель 3, образованную огнеупорным кирпичом. Выходящий из отверстий газ перемешивается с воздухом, поступающим в щель за счет разрежения в топке. Принятый шаг между отверстиями обеспе­ чивает достаточный приток воздуха к факелам и перемещение пламени от одного отверстия к другому. Накаляющиеся стенки щели надежно стабилизируют процесс горения, а для направ­ ленного поступления воздуха в щель боковые части колосниковой решетки 5 перекрыты кирпичом 4.

Разработанная Укргипроинжпроектом серия подовых горелок на номинальные расходы природного газа от 5 до 75 м3/ч устой­ чиво работает при давлении газа от 20 до 200 кгс/м2, при разреже­ нии в топке 1,5—2 кгс/м2 и коэффициенте расхода воздуха а = = 1,25 ч- 1,35. Несмотря на большой коэффициент расхода воз­ духа, подовые горелки благодаря простоте конструкции, устой­ чивости и бесшумности в работе часто применяют в котлах, су­ шилах и других тепловых агрегатах с небольшими тепловыми мощностями и большими топочными объемами. Подовые горелки могут работать и с принудительной подачей воздуха, и на среднем давлении газа. В этих случаях а уменьшается до 1,15.

В инжекционных многофакельных горелках низкого давления Мосгазпроекта (рис. Х.10) струя газа, вытекающая с большой скоростью из сопла 2, засасывает в горелку 40—60% воздуха, необходимого для полного сгорания газа. В смесителе, состоящем из конфузора 5, горла 4 и диффузора 5, осуществляются переме­ шивание газа с воздухом и выравнивание поля скоростей смеси по сечению горелки. При этом в диффузоре не только завершается смесеобразование, но и осуществляется превращение кинетической энергии в статический напор, необходимый для преодоления сопротивлений на выходе смеси из отверстий 6 горелочного насадка. Поступление первичного воздуха регулируется воздушной шай­ бой 2. Сгорание смеси происходит в факелах сине-фиолетового цвета, размещаемых друг от друга на расстояниях, обеспечива­ ющих поступление к ним вторичного воздуха из топки и взаимное поджигание смеси.

Показанные на рис. Х.10 горелки ГКС изготовляют сварными

198

со

со

1 —коллектор;^'—центрирующий стакан; 3 — горизонтальный туннель (щель); 4 —выкладки из кирпича; 5 —колосниковая решетка; 6 — регулятор воздуха; 7 —смотровое окно.

Винжекционных однофакельных горелках Стальпроекта

вается в качестве первичного весь воэдух, необходимый для пол­ ного сгорания газа при давлении в топке до 2 кгс/м2. Стабилиза-

Рис. Х.11. Инжекционная горелка среднего давления Стальпроекта)'тип В* а —без охлаждения насадка; б — с водоохлаждаемым насадком.

ция процесса горения обеспечивается обычно применением огне­ упорных туннелей. Для работы на природном газе (QH = = 8500 м3/ч) без подогрева воздуха разработано 20 типоразмеров таких горелок на номинальные расходы от 0,7 до 180 м3/ч при номинальном давлении газа 5000 кгс/м2. Благодаря отсутствию принудительной подачи воздуха и обеспечению полноты сгорания

200