Классификация горелок и основные требования, предъявляемые к ним. Как устроены газовые горелки для котлов Виды горелок для котлов их классификация
Газовая горелка - устройство, обеспечивающее подачу определенного количества горючего газа и окислителя (воздуха или кислорода), создание условий смешения их, транспортировку образовавшейся смеси к месту сжигания и сгорания газа. Есть горелки, у которых к месту сгорания подается только газ или газ и воздух, но без их предварительного смешения внутри горелки.
Требования, предъявляемые к горелкам:
· создание условий для полного сгорания газа с минимальными избытком воздуха и выходом вредных веществ в продуктах сгорания;
· обеспечение необходимой теплопередачи и максимального использования теплоты газового топлива;
· наличие пределов регулирования, не меньших чем требуемое изменение тепловой мощности агрегата;
· отсутствие сильного шума, уровень которого не должен превышать 85 дБ;
· простота конструкции, удобство ремонта и безопасность эксплуатации;
· возможность применения автоматики регулирования и безопасности;
· соответствие современным требованиям промышленной эстетики.
Основные функции газовых горелок: подача газа и воздуха к фронту горения газа, смесеобразование, стабилизация фронта воспламенения, обеспечение требуемой интенсивности процесса горения газа.
По методу сжигания газа все горелки можно разделить на три группы:
· без предварительного смешения газа с воздухом - диффузионные;
· с неполным предварительным смешением газа с воздухом - диффузионно-кинетические;
· с полным предварительным смешением газа с воздухом - кинетические.
Кроме того, горелки можно классифицировать по способу подачи воздуха, расположению горелки в топочном пространстве, излучающей способности горелки, давлению газа.
Широкое распространение имеет классификация горелок по способу подачи воздуха. По этому признаку горелки подразделяют следующим образом:
· бездутьевые, у которых воздух поступает в топку за счет разрежения в ней;
· инжекционные, в которых воздух засасывается за счет энергии струи газа;
· дутьевые, у которых воздух подается в горелку или топку с помощью вентилятора.
Горелки могут работать при различных давлениях газа: низком -- до 5000 Па, среднем -- от 5000 Па до 0,3 МПа и высоком -- более 0,3 МПа. Наибольшее распространение имеют горелки, работающие на низком и среднем давлениях газа.
Важная характеристика горелки -- ее тепловая мощность, кДж/ч:
где QН -- низшая теплотворная способность газа, кДж/м3; VЧ -- часовой расход газа горелкой, м3/ч.
Различают максимальную, минимальную и номинальную тепловые мощности газовых горелок. Максимальная тепловая мощность достигается при длительной работе горелки с большим расходом газа и без отрыва пламени. Минимальная тепловая мощность возникает при устойчивой работе горелки при наименьших расходах газа без проскока пламени. Номинальная тепловая мощность горелки соответствует режиму работы с номинальным расходом газа, т. е. расходу, обеспечивающему наибольший КПД при наибольшей полноте сжигания газа. В паспортах горелок указывают номинальную тепловую мощность.
Максимальная тепловая мощность горелки должна превышать номинальную не более чем на 20 %. Если номинальная тепловая мощность горелки по паспорту 10000 кДж/ч, то максимальная должна быть 1 2 000 кДж/ч.
Еще одна важная характеристика горелки -- предел регулирования тепловой мощности п = 2 ... 5:
n = Qr min / Qr max,
где Qr min - минимальная тепловая мощность горелки; Qr max - максимальная тепловая мощность горелки.
В эксплуатации находится большое количество горелок различных конструкций. Общие требования для всех горелок: обеспечение полноты сгорания газа, устойчивость при изменениях тепловой мощности, надежность в эксплуатации, компактность, удобство при обслуживании.
Существует много разных классификаций газогорелочных устройств, которые мы можем видеть в Таблице 1.
Таблица 1. Классификация газовых горелок
Классификационный признак
Характеристика классификационного признака
Способ подачи компонентов
Подача воздуха за счет свободной конвекции
Подача воздуха за счет разрежения в рабочем пространстве
Инжекция воздуха газом
Принудительная подача воздуха от постороннего источника
Принудительная подача воздуха от встроенного вентилятора (блочные горелки)
Принудительная подача воздуха за счет давления газа (турбинные горелки)
Инжекция газа воздухом (принудительная подача воздуха, инжектирующего газ)
Принудительная подача газовоздушной смеси от постороннего источника
Степень подготовки горючей смеси
Без предварительного смешения
С частичной подачей первичного воздуха
С неполным предварительным смешением
С полным предварительным смешением
Скорость истечения продуктов сгорания, м/с
До 20 (низкая)
Св. 20 до 70 (средняя)
Св. 70 (высокая, скоростные горелки)
Характер потока, истекающего из горелки
Прямоточный
Закрученный неразомкнутый
Закрученный разомкнутый
Номинальное давление газа перед горелкой, Па
До 5000 (низкое)
Среднее давление (до критического перепада давлений)
Высокое давление (критический или сверхкритический перепад давлений)
Возможность регулирования характеристик факела
С нерегулируемыми характеристиками факела
С регулируемыми характеристиками факела
Необходимость регулирования коэффициента избытка воздуха
С нерегулируемым (минимальным или оптимальным) коэффициентом избытка воздуха
С регулируемым (переменным или повышенным) коэффициентом избытка воздуха
Локализация зоны горения
В огнеупорном туннеле или в камере горения горелки
Н поверхности катализатора, в слое катализатора
В зернистой огнеупорной массе
На керамических или металлических насадках
В камере горения агрегата или в открытом пространстве
Возможность использования тепла продуктов сгорания
Без подогрева воздуха и газа
С подогревом в автономном рекуператоре или регенераторе
С подогревом воздуха во встроенном рекуператоре или регенераторе
С подогревом воздуха и газа
Степень автоматизации
С ручным управлением
Полуавтоматические
Обозначения.
Тип горелки обозначается посредством букв и цифр:
Г
-горелка;
ГМ
- газомазутная;
Д
-с удлиненной газовой частью
Р
- ротационная;
В зависимости от места установки на топочной камере, горелки изготавливаются правого и левого вращения:
правого вращения
П
- правого вращения- направление вращения ротора форсунки против часовой стрелки (смотреть на торец стакана из топки);
Л
- левого вращения - направление вращения ротора форсунки по часовой стрелке.
Числом обозначается номинальная производительность котла, для которого первоначально была спроектирована горелка (Гкал/час).
Классификация горелок по виду топлива.
ГАЗОВЫЕ ГОРЕЛКИ
Газовая горелка
- это устройство для смешения кислорода с газообразным топливом с целью подачи смеси к выходному отверстию и сжигания её с образованием устойчивого факела. В газовой горелке газообразное топливо, подаваемое под давлением, смешивается в смесительном устройстве с воздухом (кислородом воздуха) и образовавшаяся смесь поджигается на выходе из смесительного устройства с образованием устойчивого постоянного пламени.
Газовые горелки
обладают широким спектром достоинств. Конструкция газовой горелки очень проста. Ее запуск занимает доли секунды и работает такая горелка практически безотказно. Газовые горелки используются для отопительных котлов или промышленного применения.
Газ является самым удобным, обладающим чрезвычайно высокими потребительскими качествами видом органического топлива, поэтому устройства, работающие на нем, пользуются особой популярностью. Почти все они оснащаются системами автоматики, благодаря чему достигается высокая безопасность и безотказность их работы.
Сегодня существует два основных вида газовых горелок, их разделение ведется в зависимости от используемого метода образования горючей смеси (состоящей из топлива и воздуха). Различают атмосферные (инжекторные) и наддувные (вентиляционные) устройства. В большинстве случаев первый вид является частью котла и входит в его стоимость, второй же вид чаще всего приобретается отдельно. Наддувная горелка газовая в качестве инструмента горения более эффективна, поскольку в них подача воздуха осуществляется специальным вентилятором (встроенным в горелку).
ЖИДКОТОПЛИВНЫЕ ГОРЕЛКИ
(Дизельные, Мазутные, и т.п.)
Жидкотопливная горелка – устройство, предназначенное для сжигания жидкого топлива. В жидкотопливной горелке жидкое топливо, подаваемое под высоким давлением, распыляется в виде паров и мельчайших частиц. В смесительном устройстве образовавшиеся пары топлива смешиваются с воздухом (кислородом воздуха) и образовавшаяся топливовоздушная смесь поджигается на выходе из смесительного устройства с образованием устойчивого постоянного пламени.
Применение дизельного топлива для отопления помещения актуально, если нет возможности подведения газа. Дизельные горелки прекрасно подходят для помещений различных масштабов. Самым важным их преимуществом считается возможность работы в достаточно тяжелых климатических условиях, например, при низкой температуре воздуха.
Мощность дизельных горелок находится приблизительно на одном уровне с газовыми горелками.
Одним из вариантов жидкотопливной горелки является горелка на отработанном масле. Горелка на отработанном масле позволяет существенно экономить на отоплении, хотя следует отметить, что в России данный тип горелок не слишком распространен (а о многих странах Европы и вовсе – запрещен). Тем не менее такие горелки выпускаются и в Европе, примером могут служить горелки на отработанном масле Kroll
, производство - Германия. Горелки на отработанном масле популярны в США, в Росии их используют для отопления промышленных предприятий (например – небольших автосервисов).
В загородных домах использовать такие горелки проблематично (могут возникнуть сложности с поставками топлива).
Новейшие горелки на отработанном масле устроены так, что при сгорании в них топлива в окружающую среду практически не выделяются дым и запахи - они полностью безопасны. Все это рождает высокий спрос на горелки на отработанном масле
КОМБИНИРОВАННЫЕ ГОРЕЛКИ
(Газ-Дизель, Газ-Мазут)
Комбинированная горелка – устройство, предназначенное для сжигания более чем одного вида топлива. Конструктивно комбинированная горелка представляет собой устройство, в котором соединена газовая и жидкотопливная горелка. Таким образом, комбинированная горелка сочетает в себе достоинства газовых и жидкотопливных горелок.
Главные из них:
- компактность устройства («два в одном»),
- не требуется работ по смене горелок.
Однако есть и недостатки:
- высокая стоимость котла в сборе с комбинированной горелкой из-за более сложного устройства самой горелки;
- снижение КПД вследствие работы горелки с разными типами топлива;
- более высокие требования к техническому обслуживанию т.к. переход с одного вида топлива на другой всегда сопряжён с определенными трудностями.
Серия горелок итальянской компании Cib Unigas
включает в себя все три вышеописанных типа горелок (газовые, жидкотопливные, комбинированные).
Классификация горелок по типу работы.
Горелки вентиляторные.
Вентиляторные горелки (их же называют дутьевыми, наддувными) имеют следующее свойство: воздух в них поступает благодаря встроенному вентилятору принудительно. Уже в самой горелке он смешивается с каким-либо топливом, после чего образованная смесь нагнетается в топку.Вентиляторные горелки могут работать на газе или на жидком топливе (дизеле, отработанном масле). При работе на газе, вентиляторные горелки менее всего зависят от того, газ какого давления будет поступать, даже при падении давления на 50%, котел будет нагревать теплоноситель.
Вентиляторые горелки намного дороже, чем газовые, но менее зависимы от давления газа в сети: даже если оно упадет на 50%, то котел все равно будет нагревать теплоноситель, правда, с потерей мощности. Вместе с тем вентиляторные горелки достаточно шумные (до 60 дБ). Шумит не столько вентилятор, сколько факел, под давлением выходящий из сопла горелки. Для защиты от шума производители котлов предлагают ряд мер, в том числе глушитель, который устанавливается в месте соединения дымохода с котлом.
Вентиляторые горелки большинстве случаев, не являются частью котла, а поставляются отдельно и присоединяются («навешиваются») к котлу.
Диффузионные горелки и горелки промежуточного типа.
В диффузионных горелках, необходимый для сгорания топлива воздух доставляется их окружающего пространства непосредственно к фронту горения за счет диффузии.
Диффузионные газовые горелки характеризуются более равномерной температурой по длине факела. Однако эти газовые горелки требуют повышенного коэффициента избытка воздуха (по сравнению с инжекционными), создают более низкие тепловые напряжения топочного объёма и худшие условия для догорания газа в хвостовой части факела, что может приводить к неполному сгоранию газа.
Диффузионные газовые горелки применяют в промышленных печах и котлах, где требуется равномерная температура по длине факела. В некоторых процессах диффузионные газовые горелки незаменимы. Например, в стекловаренных, мартеновских и др. печах, когда идущий на горение воздух подогревается до температур, превышающих температуру воспламенения горючего газа с воздухом. Успешно применяются диффузионные газовые горелки и в некоторых водогрейных котлах.
В мощных топочных камерах газ вполне успешно сжигается при помощи диффузионных горелок с малым сопротивлением по газу и воздуху. Эти последние не требуют предварительного смешения газа и воздуха и допускают большие скорости выхода газа и воздуха в топку. При применении таких горелок отпадают огнеупорные туннели значительного суммарного сечения, требующие при высококалориином газе огнеупора высокого качества и сравнительно частого ремонта. Наконец, диффузионные горелки легко конструируются как смешанные газомазутные, допускающие эффективное сжигание и газообразного и жидкого топлива (а если это нужно, и пылевидного твердого).
Поэтому в мощных котлоагрегатах, сжигающих либо природный газ, либо доменный газ и угольную пыль, применяют обычно горелки диффузионного или смешанного типа. В диффузионных горелках газ и воздух подаются в топку раздельно и смешение газа и воздуха происходит в самой топочной камере. При этом обычно воздух до смешения с газом успевает подогреться до температуры, достаточной для интенсивного горения, поэтому процесс горения происходит весьма быстро и фронт горения, т. е. зона диффузионного горения, разделяющая области смеси горючего с окислителем (воздухом) и смеси продуктов горения с избыточным воздухом, является весьма тонким слоем. В горелках промежуточного типа смешение частично осуществляется в самой горелке и из нее в топку входит поток воздуха, пронизанный отдельными струями смеси, богатой газом.
Диффузионные горелки обычнр работают на газе низкого и среднего давления.
В котлах получили распространение т. н. подовые газовые горелки
, являющиеся разновидностью диффузионных газовых горелок, которые размещаются внутри топки, в нижней её части. Подовая газовая горелка состоит из одной или нескольких газораспределительных труб, в которых просверлены отверстия. Труба с отверстиями устанавливается на колосниковой решётке или поду топки в щелевом канале, выложенным из огнеупорного кирпича. Через огнеупорный щелевой канал поступает требуемое количество воздуха. При таком устройстве горение струек газа, выходящих из отверстий в трубе, начинается в огнеупорном канале и заканчивается в топочном объёме. Подовые горелки создают малое сопротивление прохождению газа, поэтому они могут работать без принудительного, дутья.
Для наблюдения за процессом горения и розжига газовой горелки служит смотровое окно. Подовые горелки могут работать на низком и среднем давлении газа и используются в секционных котлах, котлах ТВГ, КВ-Г, ДКВР.
Мазутные горелки.
Применение мазута, то есть тяжелой фракции, остающейся после того, как будет переработана нефть, в промышленности встречается отнюдь не редко. Главным образом, мазутные горелки, как автономные, так и промышленные, применяются для того, чтобы преобразовать мазут в тепловую энергию, причем осуществляется это путем сжигания. По большей части в мазутных горелках используется система механического распыления топлива, с применением либо пара, либо сжатого воздуха. Некоторые из модификаций мазутных горелок оснащаются соплами низкого давления, направлено это на эффективное снижение расхода топлива. Кроме того, такой вид мазутного горелочного устройства изнашивается медленнее своих аналогов, а это, в свою очередь, снижает как себестоимость процесса, так и расходы на техническое обслуживание.
Мазутные горелки, выпускающиеся в наше время, оснащаются таким оборудованием, как электрощиты, система регулирования, двигательно-насосная группа подачи топлива. Горелочное устройство на мазуте, имеющее подобную комплектацию, автоматически очистит сопло, как только можно будет говорить об окончании работы, что также ведет к снижению необходимости в техническом обслуживании оборудования.
В мазутных горелках применяется система подогрева топлива. Делается это для того, чтобы мазут постоянно поддерживался в вязком состоянии. Распыление же горючего происходит при помощи сжатого воздуха или пара под давлением 8 Бар. Существуют и такие модификации, в которых газовая горелка разжигается за счет запальной газовой горелки.
Мазутные горелки по праву считаются экономичными и практичными. В виду этих свойств мазутные горелочные устройства применяются повсеместно и широко, причем и как основной источник тепловой энергии, и как вариант-подстраховка, если вдруг будут перебои с подачей другого топлива. Промышленная мазутная горелка нашла свое применение в производственных целях и в городских теплоцентралях, обеспечивая централизованное отопление жилых домов. В заключение можно сказать, что на выбор потребителя представлен большой ассортимент мазутных горелочных устройств. Покупая такое оборудование, можно выбирать и по мощности, и по модификации, и по иным параметрам – рынок это позволяет. Ну и, разумеется, мазутные горелки отличаются своей надежностью и качеством, находящимся на высоте.
Газо-мазутные и пыле-газовые горелки.
Для оперативного перехода с одного вида топлива на другой (особенно в зимние месяцы), а также для совместного сжигания различных видов топлива используют комбинированные горелки: газо-мазутные и пыле-газовые. Комбинированные горелки применяют также, когда требуется создать светящееся пламя или когда на газе невозможно обеспечить нужную темп-ру в топке.
Газо-мазутная горелка
состоит из газовой, возд. и жидкостной частей, обеспечивающих соответственно подвод необходимых для сжигания количества газа, воздуха и мазута.
В пыле-газовой горелке
для сжигания природного газа в крупных котлах электрич. станций газ поступает через периферийные отверстия и направляется к центру, смешиваясь по пути с закрученным потоком воздуха. Горелка снабжена телескопич. устройством с винтовым приводом, позволяющим убирать внутрь трубу, по к-рой подаётся в топку воздушно-пылевая смесь при работе котлов на газовом топливе. Телескопич. устройство препятствует попаданию пыли в щели между передвижной и стационарной частями трубы.
Пример газо-мазутных горелок:
горелки газомазутные ПГМГ-10; 30; 40 ,
горелки газомазутные РГМГ
Инжекционные горелки
В инжекционных горелках воздух для горения засасывается (инжектируется) за счёт энергии струи газа и их взаимное смешение происходит внутри корпуса горелки. Иногда в инжекционных газовых горелках подсасывание необходимого количества горючего газа, давление которого близко к атмосферному, осуществляется энергией струи воздуха. В горелках полного смешения (с газом перемешивается весь необходимый для горения воздух), работающих на газе среднего давления, образуется короткий факел пламени, а горение завершается в минимальном топочном объёме. В инжекционные газовые горелки частичного смешения поступает только часть (40-60%) требующегося для горения воздуха (т. н. первичный воздух), который и смешивается с газом. Остальное количество воздуха (т. н. вторичный воздух) поступает к факелу пламени из атмосферы за счёт инжектирующего действия газо-воздушных струй и разрежения в топках. В отличие от инжекционных газовых горелок среднего давления, в горелках низкого давления образуется однородная газо-воздушная смесь с содержанием газа больше верхнего предела воспламенения; эти газовые горелки устойчивы в работе и имеют широкий диапазон тепловой нагрузки.
Инжекционные горелки различают: по давлению - низкого и среднего давления; по виду факела - многофакельные (с распределительным коллектором) и однофакельные; по количеству сопел - односопловые и многосопловые; по расположению сопел - с центральным и периферийным расположением. Объемные соотношения газа и воздуха, засасываемого инжекционной горелкой, определяются коэффициентом инжекции и коэффициентом избытка воздуха. Чем выше теплота сгорания газа, тем больше требуется воздуха для его сгорания и тем больше при одном и том же коэффициенте избытка воздуха должен быть коэффициент инжекции, т. е. тем больше воздуха должен подсасывать 1 м3 газа.
В интервале давления газа от 2000 до 9000 кгс/м2 инжекционная способность горелки почти не меняется при изменении Давления газа перед горелкой и разрежения в топке. При давлениях ниже 2000 и особенно ниже 1000 кгс/м2 коэффициент избытка воздуха возрастает с уменьшением давления и с увеличением разрежения в топке. Для обеспечения нормального процесса горения большое значение имеет постоянство состава газового топлива. Изменение плотности приводит к изменению инжектирующей способности горелки, а изменение теплоты сгораниятребует соответствующего изменения количества подаваемого для горения воздуха. При небольших колебаниях указанных характеристик газового топлива (числа Воббе) необходимый коэффициент избытка воздуха можно поддерживать изменением давления перед горелкой и степени открытия воздушно-регулировочной заслонки.
Достоинства инжекционных горелок: использование энергии газа для подсоса воздуха; хорошее перемешивание газа и инжектируемого воздуха и поддержание, в определенных диапазонах, расчетного соотношения их количеств при изменении тепловой мощности горелки. Основными недостатками горелок с одним газовым соплом являются значительная длина, особенно при больших тепловых мощностях: необходимость строгого совпадения оси сопла с осью горелки; высокий уровень шума, а горелок низкого давления - значительная длина факела и зависимость поступления вторичного воздуха от разрежения в топке.
Пример инжекционных горелок: Инжекционные газовые горелки Казанцева
Горелки обычно размещаются в два и более рядов с одной или двух противоположных сторон топки. Число горелок выбирается значительным, чтобы иметь возможность регулировать нагрузку выключением части горелок, так как обычно применяемые в стационарных котлах форсунки с нерегулируемым выходным сечением плохо работают при сниженных нагрузках. Скорости воздуха в узком сечении амбразур, которые имеют горелки, - порядка 20-35 м/сек. Минимальная глубина топки при фронтальном расположении горелок должна быть не менее 3 м для малых горелок и 4 м для крупных.
Классификация горелок по типу регулирования.
Одноступенчатые горелки
работают лишь в одном диапазоне мощности, работают м тяжелом для котла режиме. При работе одноступенчатых горелок происходит частые включения и отключения горелки, которыми регулирует автоматика котлоагрегата.
Двухступенчатые горелки
имеют две ступени мощности. Первая ступень, как правило, обеспечивает 40% мощности, а вторая – 100%. Переход с первой ступени на вторую происходит в зависимости от контролируемого параметра котла (температуры теплоносителя или давления пара), режимы включения/выключения зависят от автоматики котла.
Плавно-двухступенчатые горелки
позволяют осуществлять плавный переход с первой ступени на вторую. Этот тип горелок занимает промежуточное положение между двухступенчатыми и модулируемыми горелками.
В качестве примера трех вышеописанных типов горелок может служить серия горелок Max Gas
фирмы Ecoflam (Экофлам).
Модулируемые горелки
нагревают котёл непрерывно, по мере необходимости повышая или снижая мощность. Диапазон изменения режима горения - от 10 до 100% номинальной мощности.
Модулируемые горелки подразделяются на три типа по принципу работы модулирующих устройств:
- горелки с механической системой модуляции;
- горелки с пневматической системой модуляции;
- горелки с электронной модуляцией.
В отличие от горелок с механической и пневматической модуляцией, горелки с электронной модуляцией позволяют обеспечить максимально возможную точность регулирования, поскольку исключаются механические погрешности в работе горелочных устройств.
Модулируемые горелки имеют перед ступенчатыми целый ряд преимуществ. Механизм плавного регулирования мощности позволяет свести цикличность включения-выключения котлов к минимуму, что значительно снижает механические напряжения на стенках и в узлах котла, а значит, продлевает его «жизнь». Экономия топлива при этом составляет не менее 5%, а при грамотной настройке можно добиться 15% и выше. И, наконец, установка модулируемых горелок не требует замены дорогостоящих котлов, если они исправно функционируют, при этом повышая КПД котла.
Пример горелок с модуляцией мощности - Max Gas Blu
фирмы Ecoflam.
С другой стороны, модулируемые горелки дороже ступенчатых моделей.
МАЗУТ ГОРИТ ГОЛУБЫМ ПЛАМЕНЕМ
Запасы мазута исчисляются сотнями миллионов тонн, поэтому очень важно добиться эффективного и безопасного использования этого горючего. С учетом современных экологических требований ряд швейцарских фирм работает над созданием отопительных установок с мазутными горелками, дающими голубое пламя, как на газовом топливе. В привычных мазутных горелках, дающих желтое пламя, процессы смешивания мазута с воздухом, испарения и горения идут одновременно.
В горелках новой системы сперва мазут испаряется и смешивается с воздухом, а лишь затем возникшая газовая смесь воспламеняется. Благодаря этому образуется меньше сажи и окиси углерода. Кроме того, в конструкции таких горелок предусмотрена рекуперация отходящих газов, в результате чего снижается температура пламени и выделяется меньше окислов азота. Для лучшего перемешивания воздуха и отходящих газов с мазутом применяются горелки с вращающимися головками.
Industrie + Technique № 22, 1989.
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 воздуха, теплоте сгорания газа, номинальной тепловой мощности, длине факела и методу стабилизации факела. По способу подачи воздуха различают горелки: с подачей к ним воздуха из окружающей среды за счет разрежения или конвекции; обеспечивающие смесеобразование за счет инжекцци воздуха газом или газа воздухом; с принудительной подачей воздуха, в том числе без предварительного смешения его с газом и с предварительным смешением. По номинальному давлению газа различают горелки низкого (до 500 кге/м 2), среднего (свыше 500 до 10 000 кге/м 2) и высокого (свыше 10 000 кге/м 2) давления. Соответственно номинальное давление воздуха, подаваемого в горелку, подразделяют на низкое (до 100 кге/м 2), среднее (свыше 100 до 300 кге/м 2) и высокое (свыше 300 кге/м 2). Основными показателями горелки являются: люминальная тепловая мощность, соответствующие ей номинальные давления газа и воздуха и пределы регулирования горелки по тепловой мощности. Дополнительно горелку характеризуют номинальная длина факела (относительно калибра выходного отверстия), удельная металлоемкость, давление (разрежение) в камере сгорания и шумовые качества.
Рассмотрим некоторые конструкции отдельных горелок, являющихся 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 перелюшивается с воздухом, поступающим в щель за счет разрежения в топке. Принятый шаг между отверстиями обеспечивает достаточный приток воздуха к факелам и перемещение пламени от одного отверстия к другому. Накаляющиеся стенки щели надежно стабилизируют процесс горения, а для направленного 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 м э /ч устойчиво работает при давлении газа от 20 до 200 кгс/м 2 , при разрежении в топке 1,5-2 кгс/м 2 и коэффициенте расхода воздуха а = = 1,25 1,35. Несмотря на большой коэффициент расхода воздуха, подовые горелки благодаря простоте конструкции, устойчивости и бесшумности в работе часто применяют в котлах, сушилах 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 3
, горла 4
и диффузора 5, осуществляются перемешивание газа с воздухом и выравнивание поля скоростей смеси по сечению горелки. При этом в диффузоре не только завершается смесеобразование, по 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 шайбой 1.
Сгорание смеси происходит в факелах сине-фиолетового цвета, размещаемых друг от друга на расстояниях, обеспечивающих поступление к пим вторичного воздуха из топки и взаимное поджигание смеси.
Поназанные на рис. Х.10 горелки ГКС изготовляют сварными на номинальные расходы природного газа от 4,7 до 6,1 м 3 /ч. Они работают достаточно устойчиво при давлениях гаэа от 10 до 180 кгс/м 2 и находят применение в небольших чугунных секционных котлах и других установках с топкой высотой не менее 600 мм.
решетка; в - регулятор воздуха; 7 - смотровое окно.
В инжекционных однофакельных горелках Стальпроекта (тип В) для газа среднего давления с Q H
^ 8500 ккал/м 3 (рис. Х.11-) за счет большой энергии вытекающего из сопла газа подсасывается в качестве первичного весь воздух, необходимый для полного сгорания газа при давлении в топке до 2 кгс/м 2 . Стабилиза-
Рис, Х.И., Инжекционная горелка среднего давления Стальпроекта, тип В. а
- без охлаждения насадка; б - с водоохлаждаемым насадком.
ция процесса горения обеспечивается обычно применением огнеупорных туннелей. Для работы на природном газе (() и - = 8500 м 3 /ч) без подогрева воздуха разработано 20 типоразмеров таких горелок на номинальные расходы от 0,7 до 180 м 3 /ч при номинальном давлении газа 5000 кгс/м 2 . Благодаря отсутствию принудительной подачи воздуха и обеспечению полноты сгорания при малых избытках воздуха горелки нашли широкое применение в нагревательных и термических печах черной металлургии, а также в других агрегатах, работающих на холодной газовоз- душной смеси.
Горелки типа ГГВ Мосгазпроекта с принудительной подачей воздуха (рис. Х.12) предназначены для сжигания природного газа низкого и среднего давления в котлах, печах, сушилах и других тепловых установках с небольшим объемом топок. Газ, подаваемый в газораспределительный коллектор 5, выходит
г
- посик; 2
- штуцер для манометра; з
- смотровое отверстие; 4
- корпус; 6
- газораспределительный коллектор; б - завихрителъ; 7 - отверстия для выхода газа.
из него через радиально расположенные отверстия 7 и перемешивается с потоком принудительно подаваемого воздуха, закрученным направляющими лопатками 6
завихрителя. Хорошо перемешанная газовоздушная смесь сгорает в прозрачном факеле сравнительно небольшой длины. Стабилизация горения обеспечивается огнеупорным туннелем. Номинальные расходы газа - 50-500 м? /ч, номинальные давления - 130 (низкое) и 3000 (среднее) кгс/м 2 , номинальное давление воздуха независимо от давления газа - 100 кгс/м 2 . Полное сгорание газа происходит при а до 1,05.
Ветроустойчивые горелки инфракрасного излучения ГИИВ-1 (рис. Х.13) и ГИИВ-2, разработанные ГСКТБ Газоаппарат - одна из разновидностей радиационных горелок. Газ низкого давления через сопло 4
поступает в смеситель, подсасывая весь воздух, необходимый для его сгорания. Из смесителя газовоздушная смесь выходит в распределительную камеру, перекрытую керамическими перфорированными плитками 2. Размер каждой плитки 65x45x12 мм, диаметр отверстий в них 1 мм. Газовоздушная смесь поступает в каналы керамической насадки и, сгорая в них, нагревает поверхность насадки до 800-940° С. Нагретая до вишнево-красного цвета, поверхность насадки 40- 60% тепла, полученного при сгорании газа, выделяет излучением. Для ветроустойчивости на передней части рефлектора имеются щелевидные прорези 6
, выравнивающие давление внутри и снаружи горелки. Малые диаметры отверстий керамических плиток
1
- корпус; г
- панель из керамических плиток; 3
- сетка; 4
- сопло; 5
- кронштейн; 6
- прореди в рефлекторе.
исключают проскок пламени внутрь горелки, а высокая температура насадки практически исключает химический недожог.
Горелки инфракрасного излучения различных конструкций ГипроНИИгаза, Мосгазпроекта и других организаций нашли широкое применение для сушки штукатурки и лакокрасочных покрытий, отопления, разогрева смерзшихся материалов, обогрева животноводческих ферм, теплиц и т. п.
Газомазутная (комбинированная) горелка ГМГ, разработанная ЦКТИ (рис. Х.14), предназначена для попеременного сжигания газа и мазута. Газ низкого давления поступает через газоподводящее устройство 2
в амбразуру горелки 3
через выходные отверстия по окружности торцевой части устройства. Основная часть воздуха для горения подается через патрубок вторичного воздуха и после закручивания в направляющих лопатках завихрителя 1
смешивается с газом, образуя газовоздушную смесь. Некоторая
Рис. Х.14. Газомазутвая горелка типа ГМР, часть воздуха, служащая в основном для охлаждения паромеханической мазутной форсунки 4
, поступает через патрубок первичного воздуха и проходит через завихритель 5.
При работе на мазуте последний распыляется при нагрузках котла выше 70% от номинальной механически, за счет высокого давления мазута (до 20 кгс/см 2). При меньших нагрузках используется пар давлением 1-2 кгс/см 2 . Давление первичного (тур- булизирующего) и вторичного (основного) воздуха принимается одинаковым, поэтому оба воздушных патрубка подсоединяются к общему воздухопроводу от дутьевого вентилятора.
Номинальные мощности горелок ГМГ - от 2 до 7 Гкал/ч, номинальное давление газа - 300-350 мм вод. ст., давление воздуха - 80-120 кгс/м 2 . Горелки получили широкое применение для установки на отопительных и промышленных водогрейных котлах, работающих на газовом и резервном мазутном топливе.
Выше приведены лишь пекоторые примеры конструкций газовых горелок. Перечень современных конструкций газогорелочных устройств с техническими характеристиками и рекомендациями условий их применения приведен в альбоме Мосгазпроекта «Газо- горелочные устройства для сжигапия природного и сжиженных газов, рекомендуемые к применению» (1969 г.).
ГАЗОВЫЕ ГОРЕЛКИ
Классификация газовых горелок
Все стадии процесса горения (смесеобразование, подогрев, горение) осуществляются в газовой горелке и камере горения (топочной камере). Основные функции газовой следующие горелки:
1. Подача газа и воздуха в топочное пространство;
2. Смесеобразование;
3. Стабилизация фронта воспламенения при всех допустимых нагрузках.
Устройство горелки содержит три основных элемента. Первый элемент – смесительное устройство
. При кинетическом методе в смесительном устройстве создается однородная газовоздушная смесь с коэффициентом α
≥ 1. При диффузионном методе – смесительное устройство создает только необходимые предпосылки для протекания процесса смесеобразования. Сам же процесс смесеобразования протекает полностью в топочной камере или частично начинается в газовой горелке. Второй элемент горелки – головка
с одним или множеством огневых отверстий. Головка обеспечивает выход ГВС в топочную камеру или в открытое пространство. Основное назначение головки - стабилизировать фронт воспламенения, предотвратить проскок и отрыв пламени. Третий элемент горелки – огневая часть
. Огневая часть представляет собой амбразуру или туннель из огнеупорного материала, где частично или полностью протекает процесс горения. Огневая часть дополнительно стабилизирует фронт горения. Во многих устройствах горелок огневая часть отсутствует.
Основная классификация горелок основананаспособе сжигания газа, т.е. какой метод сжигания газа реализуется в горелке. По способу сжигания газа
все горелки подразделены на четыре группы:
1. Горелки полного предварительного смешения газа с воздухом (реализуется кинетическое горение);
2. Горелки предварительного смешения газа с частью воздуха, необходимого для горения (реализуется кинетически-диффузионное горение);
3. Горелки с незавершенным предварительным смешением газа с воздухом (реализуется диффузионно-кинетическое горение);
4. Горелки без предварительного смешения газа с воздухом (реализуется диффузионное горение).
По способу подачи воздуха
горелки подразделяются:
1. Эжекционные (инжекционные) – воздух подается за счет энергии газовой струи;
2. Бездутьевые – воздух поступает в топку за счет разряжения;
3. Дутьевые – воздух подается в топку вентилятором.
По давлению газа
различают горелки низкого давления (до 5 кПа) и среднего давления (от 5 кПа до 0,3 МПа). Горелки высокого давления применяются редко.
Кроме того, горелки различают по месту расположения в топке (сводовые и подовые), по видам топлива (газомазутные), по излучающей способности пламени (инфракрасного излучения), по виду поля наложенного на пламя (акустические, электрические) и другим характерным отличиям.
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.
Основными характеристиками горелочных устройств являются: давление газа, тепловая мощность, коэффициент предельного регулирования, коэффициент избытка воздуха.
Диффузионные горелки. Наиболее простые по конструкции горелки представляют собой трубу с просверленными отверстиями для выхода газа. Инжекционные горелки. Горелки данного типа подразделяются на горелки частичного предварительного смешения и полного предварительного смешения газа с воздухом.
Требования, предъявляемые к газовым горелкам
Газогорелочные устройства должны обеспечивать качественное проведение технологического процесса в газоиспользующей установке и требуемый температурный режим в топочном пространстве. Горелка должна работать устойчиво без проскока и отрыва пламени в заданном интервале изменения нагрузки, работать длительное время без выхода из строя с минимальными тепловыми потерями, то есть экономично. Следующим требованием является предотвращение загрязнения воздушного бассейна и воздуха в газифицированных квартирах вредными составляющими продуктов сгорания газа.
Газогорелочные устройства должны быть компактными, то есть иметь минимальные размеры. Конструкция горелки должна предусматривать возможность быстрой замены отдельных деталей. По возможности, горелки должны работать бесшумно.
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 (a г <1,0). Для сохранения неизменной тепловой мощности инжекционной горелки низкого давления при переходе на газовое топливо иного состава необходимо изменить диаметр газового сопла. Если давления газа в сети достаточно для сохранения тепловой мощности горелки, можно (не меняя конструктивных размеров) изменить давление газа перед горелкой.
Инжекционные горелки низкого и среднего давления (a Г і 1,0). 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.
Горелки с принудительной подачей воздуха (a Г і 1,0). Для сохранения расчётной тепловой мощности горелки с принудительной подачей воздуха нужно изменить площадь газовыходных отверстий, однако при этом отношение скорости газа и скорости воздуха должно оставаться постоянным.
Теоретический расчет горелок представляет собой весьма сложную задачу. Поэтому на практике используют упрощенную методику расчета.
