книги из ГПНТБ / Романов Б.А. Котельные установки предприятий нефтяной и газовой промышленности

Жидкое топливо (см. рис. 8) подается к регулировочному вентилю 1, по мазутному стволу 3 к наконечнику И и оттуда к распиливающему конусу 12. На выходе из распиливающего ко­ нуса жидкое топливо попадает в подпорную шайбу 13 или в за­ вихритель 2 (см. рис. 9), выполненный из профилированных ло­ паток. Здесь топливо подхватывается потоком первичного воздуха, смешивается с ним и поступает в шамотный конус амбразуры, где

Рис. 9. Мазутная форсунка воздушного распиливания ОЭН-500-МВ с завнхрктелем:

происходит воспламенение и частичное сгорание мазута. Догора­ ние топлива происходит в топке.

Наличие подпорной шайбы приводит к увеличению скорости воздуха в зоне перемешивания, что способствует лучшему распыливанию мазута и его перемешиванию с воздухом. В завихрителе жидкое топливо подхватывается воздухом, распиливается и хо­ рошо перемешивается. Основное количество воздуха (60—70%) подводится к патрубку кожуха форсунки с избыточным давлением не менее 1,8—2 кПа. Остальное количество воздуха поступает в топку через фронтовой регистр за счет разрежения в топке гг эжектирующего действия форсунки.

Подача форсунок системы ОЭН (подробнее см. в [8]) колеб­ лется в пределах 10—500 кг/ч. Размещать форсунки ОЭН реко­ мендуется на фронтовой стене в один или два ряда. При двух­ рядном расположении форсунки размещают в шахматном поряд­ ке, причем внизу устанавливают форсунки большей пронзводи-

29>

•дельности. В зависимости от местных условий подвод воздуха к форсункам может быть осуществлен с любой стороны. Для под­ вода вторичного воздуха применяют регистры закрытого и откры­ того типов. Для улучшения условий горения жидкого топлива и повышения устойчивости процесса амбразура для форсунки вы­ полняется в виде конуса во фронтовой стене топки.

Если сравнить по экономичности все виды форсунок, то ока­ жется, что наиболее экономичными являются механические фор­ сунки (расход энергии 0,5% от паропроизводнтельности котла), затем следуют паровые (расход энергии 5—6% от паропропзво-

.дительности котла) и наименее экономичными являются воздуш­ ные форсунки высокого давления.

При паровом распыливании теряется конденсат, снижается температура в топке и вследствие увеличения массы продуктов

хозяйство, требуются непрерывная работа мазутных насосов вы­ сокого давления и тщательная очистка топлива от механических примесей. Подача механических форсунок регулируется в огра­ ниченных пределах; отклонение подачи от оптимальной вызывает ухудшение качества распыливания топлива. Поэтому расход топ­ лива в котельном агрегате регулируют изменением числа рабо­ тающих механических форсунок.

Для паровых форсунок мазутное хозяйство значительно упро­ щается, н подача форсунок изменяется в широких пределах.

При распыливании мазута сжатым воздухом высокого давле­

ляторами. Подача форсунок регулируется в широких пределах, и при работе они создают мало шума. Переход с парового распы­ ливания на низконапорное воздушное на котельных установках

■располагаются обычно на фронтовой стене на расстоянии 1— 1,2 м друг от друга. Первичный воздух подводится через воздушный регистр, расположенный при форсунке. С помощью воздушных регистров регулируется объем подаваемого воздуха: вторичный воздух (примерно 30%) подается по специальным каналам в клад­ ке топки под корень факела на расстоянии 200—300 мм от устья форсунки. Проходящий через каналы воздух засасывается из по­ мещения за счет разрежения в топке и охлаждает поверхность ■обмуровки. Объем вторичного воздуха регулируется специальными жалюзи, устанавливаемыми в местах входа воздуха в каналы. Глубина топки зависит от способа распыливания топлива и кон­ струкции форсунки и должна быть не менее 3—4 м.

<30

§ 5. СВОЙСТВА И ОСОБЕННОСТИ ГОРЕНИЯ ГАЗООБРАЗНОГО ТОПЛИВА

Горение газообразного топлива носит сложный характер. Экс­ периментальными исследованиями установлено, что устойчивость,, полнота и интенсивность горения газа в первую очередь зависят от температуры и условий смешения газа с воздухом. При нагре­ вании газовоздушной смеси вначале в ней не происходит какихлибо заметных изменений, а затем, когда достигается температура воспламенения, происходит мгновенное горение, сопровождаю­ щееся выделением большого количества тепла.

Температура воспламенения некоторых горючих газов в воз­ духе дана в табл. 7. Температура воспламенения газовых смесей зависит от содержания в них отдельных горючих газов и пх свойств.

На практике находят применение два способа воспламенения газовых смесей. Первый способ заключается в том, что вся смесь

самовоспламенением. Второй способ состоит в том, что холодная

31

который в каждый момент отделяет еще не сгоревшую смесь от продуктов сгорания. Фронт пламени перемещается, пока не сгорит вся смесь. Этот, процесс называется нормальным горением, а скорость распространения пламени — нормальной споростью горе­ ния. Такое развитие процесса наблюдается при постоянном дав­ лении. Воспламенение смеси в ограниченном объеме сопровож­ дается резким повышением давления. Такое горение называется

взрывом.

В газовых горелках горючая смесь перемещается навстречу фронту пламени, и если скорость перемещения будет равна нор­ мальной скорости горения, то фронт пламени будет оставаться неподвижным, т. е. у устья горелки образуется стационарное пламя. Это пламя имеет вид конуса; такая форма пламени свя­ зана с распределением скорости по сечению потока горючей смеси. У стенок трубки скорость равна нулю, а по оси горелки она имеет максимальное значение. На поверхности конуса горения нормаль­ ная составляющая скорости потока равна нормальной скорости распространения пламени. Если скорость выхода горючей смеси будет велика, произойдет отрыв факела от горелки. При истече­ нии смеси со скоростью, меньшей нормальной скорости распрост­ ранения пламени, будет иметь место затягивание пламени в го­ релку. Все это должно учитываться при выборе и эксплуатации горелок.

Скорость распространения пламени зависит от соотношения

•объем не распространяется. Для газов существует нижний и верх­ ний концентрационные пределы распространения пламени (преде­ лы воспламеняемости или взрываемости). Нижний предел взры­ ваемости или воспламеняемости — наименьшее содержание дан­ ного газа в смеси с воздухом, при котором возможно горение (взрыв) этой смеси. Верхний предел взрываемости или воспламе­ няемости— наибольшее содержание газа в смеси с воздухом, выше которого газовоздушная смесь становится негорючей. Нали­ чие пределов воспламенения связано с тем, что при большом Из­ бытке воздуха (бедные смеси) или малом количестве его (богатые смеси) тепла, выделяющегося в месте воспламенения, недоста­ точно для зажигания соседних слоев смеси.

Пределы взрываемости газообразного топлива зависят от -содержания отдельных горючих газов в топливе и их пределов взрываемости, а также от содержания негорючих газов.

Для правильного ведения процесса сжигания недостаточно соблюдения только нужных температурных условий, необходимо также обеспечить тщательное перемешивание газообразного топ­ лива с воздухом. От качества смешения зависят интенсивность и полнота горения, размеры, светимость и температура факела. При плохом перемешивании газа с воздухом появляются продук­

32

ты неполного сгорания и термического разложения (химический недожог). Для устранения химического недожога необходимо уве­ личить количество подаваемого воздуха, т. е. увеличить коэффи­ циент избытка воздуха в топке ат.

При диффузионном сжигании газ и воздух подаются в топку раздельно (рис. 10, а). Смешение топлива с кислородом воздуха

К Газ

Воздух

Рис. 10. Способы сжигания газов:

происходит в топке за счет диффузии. В этом случае горение происходит в растянутом (длинном) факеле по мере смешения газа с воздухом. Факел при этом часто получается светящимся, что связано с местным недостатком воздуха.

Кинетический метод сжигания характеризуется подачей через горелку в топку предварительно перемешанной однородной горю­ чей смеси (рис. 10, б). Факел получается коротким, несветящимся. Горение происходит полно с малым избытком воздуха и при по­ вышенной -температуре.

При смешанном сжигании (рис. 10, в) в топку подастся газ, предварительно перемешанный лишь с частью воздуха (первич­ ный воздух). Остальная часть необходимого для горения воздуха (вторичный воздух) подается в топку отдельно. В этом случае образуются два фронта горения — кинетический (К) и диффузи­ онный (Д ).

Устойчивая работа горелки зависит от содержания воздуха в исходной газовоздушной смеси и ее скорости.

Неустойчивая работа связана с затягиванием пламени в го­ релку или с отрывом факела от ее устья. Затягивание пламени в горелку происходит в том случае, если скорость газовоздушной смеси на выходе меньше, чем скорость распространения пламени. Отрыв факела происходит при чрезмерных скоростях потока, боль­ ших чем скорость распространения пламени, когда смесь не успе­ вает воспламениться.

Устойчивое горение в широком интервале скоростей возможно при малом содержании воздуха в исходной газовоздушной смеси (а '< 1). Устойчивость работы горелки в этом случае вызывается диффузионным горением топлива. При увеличении содержания воздуха в исходной смеси пределы устойчивого горения сокра­

ленных продуктов горения к корню факела.

§ 6. РАБОЧИЙ ПРОЦЕСС В ГОРЕЛКАХ ДЛЯ ГАЗООБРАЗНОГО ТОПЛИВА

Для сжигания газообразного топлива в топках котельных агрегатов применяют различные по конструктивному оформлению горелки.

В соответствии с методами сжигания газа различают горелки

свнешним смешением:, горелки с полным, внутренним смешением

игорелки с частичным внутренним смешением газа и воздуха.

Горелки с внешним и частичным внутренним смешением дают

растянутый видимый светящийся факел (например, диффузион­ но е горелки). Поэтому эти горелки называются факельными.

Горелки с полным внутренним смешением газа и воздуха дают очень короткий невидимый факел. Такие горелки называют бес­ пламенными.

По способу подачи воздуха в топку горелки делятся на две

34

В зависимости от избыточного давления подаваемого газа горелки делятся на три основные группы: горелки низкого дав­ ления р = 5 кПа (500 мм вод. ст.), горелки среднего давления р = 5-^-300 кПа и горелки высокого давления р > 300 кПа.

Диффузионные горелки

Простейшая диффузионная горелка представляет собой метал­ лическую трубу с насверленными в ее стенках отверстиями диа­ метром от 0,5 до 5 мм. Шаг между отверстиями выбирается та­ ким, чтобы отдельные факелки не сливались в общее пламя и чтобы при зажигании с одного конца пламя распространялось

-ЕЗхТ

Рис. 11. Схемы простейших диффузионных горелок:

а — с одним рядом отверстий; б — с двумя рядами отверстий; в — коль­

эти горелки имеют самые разнообразные формы (рис. 11). По­ дача горелок колеблется от 1 до 10 м3/ч при давлении газа обычно до 1 кПа. Нормальная работа этих горелок протекает при коэф­ фициенте избытка воздуха от 1,2 до 1,6; при этом потери от хи­ мической неполноты сгорания составляют от 1 до 2%.

В промышленных котельных получила распространение диф­ фузионная горелка особой конструкции (рис. 12). В зависимости от размеров подача ее колеблется от 35 до 350 м3/ч. В этих го­ релках топливный газ проходит по кольцевому пространству между стенками внутреннего цилиндра и корпуса п выходит в топку тонкими струйками через тангенциальные щели; газ при этом получает вращательное движение и хорошо перемешивается с воздухом. Воздух поступает за счет разрежения в топке: поло­

2* 35

вина его через внутренний цилиндр, а другая половина через внешнее кольцевое окно. Количество поступающего воздуха регу­ лируется с помощью регистров. Горелки этого типа дают устой­ чивое, сильно светящееся пламя. Потеря от химической неполноты сгорания у этих горелок незначительна даже при малых коэффи­ циентах избытка воздуха (1,2— 1,4).

из сопла внутрь смесителя, представляющего обычно часть кор­ пуса самой горелки. При истечении, газа давление его падает, а скорость возрастает; расширяясь далее в смесителе, газовая' струя увлекает за собой окружающий воздух.

Таким образом, горелка самостоятельно подсасывает необхо-. димый для образования газовоздушной смеси воздух из окружаю­ щей среды. В горловине смесителя происходит выравнивание по­ тока и перемешивание газа с воздухом; в результате из смесителя внутрь горелки выходит уже почти готовая газовоздушная смесь.

Инжекциониые горелки характеризуются свойством саморегу­ лирования. Это свойство заключается в том, что в горелке авто­ матически поддерживается установившееся в ней соотношение между количествами смешиваемых газа и воздуха. Так, напри­ мер, если горелка работает таким образом, что на 1 м3 газа подсасывается 4 м3 воздуха (т. е. коэффициент инжекции горелки равен 4), /го увеличение абсолютного давления газа в 4 раза приводит к возрастанию расхода газа в 2 раза и увеличению

36

количества подсасываемого воздуха также в 2 раза. Таким обра­ зом, относительный подсос воздуха (отношение количества под­ сасываемого воздуха к расходу газа в горелке), т. е. коэффициент инжекции, остается неизменным и равным по-прежнему 4. Следо­ вательно, при эксплуатации этих горелок подачу их можно из­ менять одним краном, установленным на газопроводе горелки.

В инжекционных горелках низкого давления подсасывается 30—60% воздуха от теоретически необходимого для горения, по­ этому эти горелки называются горелками неполного или частич­ ного предварительного смешения. Подача этих горелок не пре­ вышает 10—12 м3/ч, и применяются они в основном в мало­ мощных отопительных котлах.

Иноюекционные горелки среднего давления предназначены для сжигания газа давлением от 3 до 5 кПа. Они способны под­ сасывать в смеситель необходимый для горелки воздух, даже при сжигании .высококалорийных газов. В связи с этим инжекционные горелки среднего давления называются также горелками полного смешения. Горение смеси такого состава неустойчиво; горение может быть устойчивым в очень узких пределах изме­ нения скорости смеси.

Устойчивое горение в таких горелках обеспечивается предель­ ным увеличением скорости выхода газа, что предотвращает про­ скок пламени в горелку. Во избежание отрыва пламени горелка снабжается стабилизатором пламени, который обеспечивает не­ прерывное поджигание смеси непосредственно на выходе ее из горелки. Конструктивное оформление таких стабилизаторов раз­ лично.

По размеру факела инжекционные горелки среднего давления делятся на факельные и короткофакельные (беспламенные).

В качестве примера факельных инжекционных горелок сред­ него давления может служить горелка с пластинчатым стабили­ затором конструкции Ф. Ф. Казанцева (ИГК-250). Она (рис. 13)

виде пакета из стальных пластин толщиной 0,5 мм, находящихся на расстоянии 1,5 мм друг от друга. Пластинки стабилизатора в процессе работы горелки нагреваются и .обеспечивают воспла­ менение смеси на выходе из смесителя без отрыва пламени.

Для уменьшения шума, создаваемого горелками, вместо обыч­ ных шайбовых регуляторов воздуха применяются специальные глушители коробчатой формы 4 (см. рис. 13). Внутренняя поверх­ ность этих глушителей покрывается слоем строительного войлока, смоченного в глине.

Аналогичное устройство имеет горелка ИГК-120, и отличается она отсутствием глушителя шума и меньшей подачей.

В тех случаях, когда недостаток места перед фронтом котла требует от горелок особой компактности, может быть использо­ вана горелка углового типа.

37

Подача горелок ИГК составляет 10—200 м3 природного газа в час. Диапазон устойчивой работы этих горелок очень широк и соответствует изменению избыточного давления перед ними от 3 до 50 кПа, зажигание производится при полностью открытых воз­ душных шайбах без всякой опасности проскока пламени. Длина факела у горелок ИГК около 1 м; применение укороченных тун­ нелей сокращает длину факела.

Рис. 13. Инжекцномная горелка среднего давления типа ИГК-250

Горелки с пластинчатыми стабилизаторами горения все более широко применяют в различных котлах.

К числу короткофакельных горелок относятся инжекционные туннельные горелки института Мосгазпроект. В принципиальной своей части эти горелки мало отличаются от других ннжекционных горелок. Только концевая часть их устроена по-другому. Вместо распределительного коллектора или пластинчатого стаби­ лизатора она имеет головку, через отверстие которой газовоздуш­ ная смесь выходит в огнеупорный туннель, где и осуществляется

•ее горение.

Таким образом,; роль стабилизатора горения здесь выполняет туннель, огнеупорные стенки которого при нормальной работе горелки находятся в раскаленном состоянии.

Инжекционные туннельные горелки просты по конструкции и обслуживанию, характеризуются высокой экономичностью, хо­ рошей саморегулируемостыо. Несмотря на все эти положительные качества применение туннельных горелок в топках паровых кот­ лов ограничено. Это связано с тем, что у этих горелок отсутствует

38