6. Классификация газогорелочных устройств. Способы сжигания топлива

6.1. Сожигательные устройства, гомогенное и гетерогенное горение

Химическую энергию топлива или электрическую энергию превращают в тепловую с помощью устройств, которые можно разделить на две большие группы: сожигательные устройства и электрические нагреватели, например сопротивления. Сожигательные устройства, предназначенные для сжигания жидкого топлива, называют форсунками, а для сжигания газов – горелками.

Характерной особенностью сожигательных устройств является то, что тепло вносится в рабочее пространство печей и топки котлов, как правило, продуктами сгорания топлива.

Электрические нагреватели используют для превращения в тепло химической энергии топлива (радиационные трубы) и электрической энергии (нагреватели электросопротивления). Применение нагревателей сопровождается передачей тепла в рабочее пространство печей главным образом излучением, путем лучистого теплообмена от их поверхности.

Различают гомогенное и гетерогенное горение. При гомогенном горении тепломассообмен происходит между телами, находящимися в одинаковом агрегатном состоянии. Гомогенное горение свойственно газообразному топливу и протекает в его объеме.

При гетерогенном горении тепломассообмен происходит между телами, находящимися в разных агрегатных состояниях, например между газом и поверхностью частиц топлива. Следует отметить, что при горении жидкого и твердого топлива благодаря испарению капель и выделению летучих веществ в известной мере происходит и гомогенное горение. Однако в основном для этого примера горение носит гетерогенный характер.

Гомогенное горение может протекать в диффузионной и кинетической областях. При диффузионном гомогенном горении процессы смешения и горения не разделены и совершаются практически одновременно. В этом случае процесс горения регламентирует стадия перемешивания, так как необходимое на это время значительно превосходит время протекания химической реакции горения топлива.

При кинетическом горении полное перемешивание топлива с воздухом осуществляют предварительно, а в зону горения подают заранее подготовленную топливовоздушную смесь. При таких условиях горения основную роль играют химические процессы, обуславливающие протекание реакций горения топлива.

В пособии наиболее детально рассмотрены только горелки.

6.2. Классификация газовых горелок по физическим и теплотехническим характеристикам

Согласно действующим ГОСТам, газовые горелки классифицируются по способу подачи воздуха на горение; по номинальному давлению газа и воздуха; по теплоте сгорания газа или газовой смеси; по номинальной тепловой мощности; по номинальной относительной длине факела, измеренной при номинальной тепловой мощности в калибрах; по локализации пламени.

По способу подачи воздуха на горение и смешения газа с воздухом горелочные устройства подразделяются на горелки с естественной и принудительной подачей как воздуха, так и газа. Внутри этих групп имеется следующее деление: подача воздуха за счет разрежения или конвекцией, инжекция газа воздухом, инжекция воздуха газом, принудительная подача воздуха без предварительного смешения, принудительная подача воздуха с принудительным смешением, принудительная подача воздуха за счет давления газа.

Давление газа непосредственно перед горелкой является но-минальным при максимальной мощности, достигнутой при длительной работе, в условиях, когда химическая неполнота сгорания топлива не превышает допустимых норм. По номинальному давлению газа горелки подразделяются на три ступени: с низким давлением – до 4,9 кПа, со средним давлением – 4,9–98 кПа и с высоким давлением – более 98 кПа.

Номинальное давление воздуха непосредственно перед горелкой также разделяется на три ступени: с низким давлениием – до 0,98 кПа, со средним давлением – 0,98–2,95 кПа и с высоким давлением – более 2,95 кПа.

Номинальную относительную длину факела (L_ф) принято измерять в калибрах от диаметра выходного сечения. Параметр L_ф – это расстояние от выходного сечения горелки до рабочего пространства печи или топки котла. Здесь концентрация диоксида углерода при стехиометрических условиях составляет 95 % от максимального значения. По параметру L_ф горелки подразделяются на восемь видов: беспламенные; до 10; 10–16; 16–25; 25–50; 50–63; 63–100; более 100 калибров.

По локализации пламени горелки подразделяются на свободные факелы; с локализацией в огнеупорных туннеле и камере; с локализацией на огнеупорной поверхности; то же, на металлической сетке; то же, в пористой перфорированной или зернистой огнеупорной массе.

6.3. Способы смесеобразования и сжигания топлива и классификация горелок на их основе

В настоящее время строгой классификации газогорелочных устройств по способам смесеобразования и сжигания топлива на стандартизованном и нормализованном уровнях не существует, хотя имеются стандарты и нормали на многочисленные конструкции газогорелочных устройств и все предпосылки для создания единой классификации. В связи с отсутствием такой классификации имеются определенные неясности. В монографии полувековой давности В.В. Арсеев писал: «…иногда даже простую трубу для введения газа в топку тоже называют горелкой. Классификацию горелочных устройств следует обсудить на специальном совещании… Не исключается целесообразность принятия двойной или даже тройной классификации горелочных устройств для различных целей» [1, с. 107–108].

Из п. 6.2 следует, что часть этой задачи полностью решена. Разработана строгая классификация горелок по номинальной относительной длине факела, измеренной при номинальной мощности. Ее создание не было бы возможным без использования результатов исследований различных газогорелочных устройств, на актуальность, целесообразность и практическую значимость которых указывал В.В. Арсеев. В п. 6.2 приведена классификация по пяти физическим и теплотехническим характеристикам горелок.

Речь о «тройной классификации», возможность создания которой предполагал В.В. Арсеев, следует отнести исключительно к классификации газогорелочных устройств по способу смесеобразования и сжигания природного газа. Однако и для этих трех крупных групп невозможно обойтись без внутригрупповой классификации. В черной металлургии наиболее строгая классификация в этом направлении выполнена институтами «Стальпроект» (Москва) и ВНИИМТ (г. Екатеринбург) [2], [3], [15].

Однако предложенная классификация не вполне сформулирована и не имеет прямого отношения к способам смешения газа и воздуха. Так, например, горелочные устройства без предварительного смешения по способу подачи воздуха разделены на два класса подачи: диффузионные горелки без автономного подвода воздуха и собственно горелки без предварительного смешения с организованной подачей воздуха.

В сущности оба устройства являются диффузионными горелками без предварительного смешения, поэтому классификация горелок по способу смесеобразования, в котором изначально заложен физико-химический механизм работы всех газогорелочных устройств, регламентирующий время протекания совокупного процесса, является основополагающей.

Классификация горелок по способам подачи воздуха и газа является важным, но самостоятельным межгрупповым признаком, характерным для всех групп горелок, классификация которых основана на способах смешения.

В пользу такой аргументации говорит тот факт, что имеются горелки, предназначенные для сжигания низкокалорийного газообразного топлива, в которые газовая смесь засасывается в результате инжекции воздушным потоком [2], [3]. Кроме того, существуют горелки с частичной принудительной подачей как воздуха, так и газа, поэтому, строго говоря, способы подачи топлива и окислителя действительно являются классификационным межгрупповым признаком. В п. 6.2 по способам подачи горелки разделены только на две группы: с естественной и принудительной подачей газа и воздуха. Это обусловлено тем, что горелки этого типа широко используются в промышленности, а применение других типов горелок скорее исключение, чем правило.

Если провести основную классификацию газогорелочных устройств по способам смесеобразования и сжигания топлива, то наличие или отсутствие подвода воздуха является конструктивной особенностью и может быть использовано в подгрупповой классификации.

Процесс превращения химической энергии топлива в тепло состоит из трех стадий. Первой стадией является смешение топлива с воздухом, который необходим для горения, второй – подогрев топливовоздушной смеси до температуры воспламенения, третьей – непосредственно процесс горения. Последняя стадия, заключающаяся в окислении горючих компонентов топлива кислородом, является наиболее скоростной.

Регламентирует совокупный процесс стадия смешения. Организация смесеобразования определяет многие параметры совокупного процесса, например форму и длину факела. В зависимости от степени развития составляющих стадий процесса горения в пределах корпусов газогорелочных устройств горелки можно также разделить на три большие группы: без предварительного смешения, с предварительным смешением, с частичным организованным или незавершенным предварительным смешением. Последние иногда называют горелками с улучшенным смешением, но это сравнение относится исключительно к горелкам без предварительного смешения, например, типа «труба в трубе», в пределах корпусов которых только создаются условия для последующего смешения топлива с воздухом. К этому типу горелок относятся как горелки с естественной подачей воздуха, так и горелки с принудительной подачей.

Горелки с естественной подачей воздуха содержат только один подвод для подачи топлива, а с принудительной – два подвода для подачи топлива и воздуха, но в самом газогорелочном устройстве эти потоки не контактируют, поэтому горелки конструируют таким образом, чтобы реализовать необходимые скорости и придать направления потокам газа и воздуха. В форсунках необходимо создать условия для эффективного распыления мазута. Процесс смешения топлива и воздуха в горелках без предварительного смешения осуществляется в результате их взаимной диффузии, которая во многом регламентирует всю продолжительность процесса сжигания топлива, поэтому сами горелки часто называют диффузионными. При этом процессы смесеобразования и горения в этих горелках протекают одновременно вне корпусов горелок, а именно в рабочем пространстве печей, в топках котлов и т.д.

Особенностью диффузионных горелок с естественной подачей воздуха является наличие в их конструкциях устройств только для подачи газа и его истечения из выходных отверстий. Необходимый для горения воздух подсасывается в теплотехническую установку через ее неплотности или нагнетается в нее с технологической целью. Наиболее характерными примерами таких горелочных устройств являются горелки для вращающихся трубчатых и шахтных печей, горнов обжиговых конвейерных машин и для газовых бытовых плит.

В связи с тем, что при организации сжигания топлива в диффузионных горелках исключается возможность воздействовать на режим поступления воздуха в месте его контакта с топливом, в конструкциях горелок предусматриваются максимальные возможности по изменению режимов истечения газа. Для этой цели применяются различные завихрители, профилированные сопла, подвижные дроссели и т.п.

Для повышения кинетической энергии газовых струй, увеличения глубины их проникновения в воздушный поток иногда применяют частичные добавки в горелку первичного воздуха. Однако и такие диффузионные горелки дополнительного подвода воздуха не содержат, а первичный воздух инжектируется в горелку газовым потоком.

В горелках с улучшенным смешением процессы смесеобразования предварительно осуществляются лишь частично в ее корпусе и горелочном туннеле. В рабочем пространстве печи или в топке котла смесеобразование завершается и протекает одновременно с горением. К таким горелкам относятся, например, горелки типа «труба в трубе».

В связи с тем, что процесс смесеобразования в этих горелках протекает в три стадии, в теорию горения введены понятия «первичный воздух» и «вторичный воздух». Первичный воздух – это воздух, подаваемый на предварительное смешение. Ему соответствует коэффициент расхода первичного воздуха ₁. Вторичный воздух – это воздух, подаваемый непосредственно в реакционную зону. Ему соответствует коэффициент расхода вторичного воздуха ₂. Если указанные коэффициенты равны, то эти горелки в противовес диффузионным горелкам условно можно классифицировать как полукинетические. К газогорелочным устройствам с частичным предварительным смешением также относятся горелки с организованным или регулируемым смесеобразованием, которое обеспечивается за счет подвижных либо сменных конструктивных элементов газогорелочных устройств, например горелочных сопел. Такая конструктивная особенность горелок позволяет изменять характеристики факела в зависимости от требований и задач технологических процессов.

В горелках с полным предварительным смешением процесс смесеобразования полностью завершается непосредственно в их корпусах, а полное сгорание происходит в горелочном туннеле. К таким газогорелочным устройствам относятся инжекционные и турбореактивные горелки, обладающие одним положительным свойством, которое называется автомодельностью. Это свойство заключается в том, что в зависимости от давления газа его струя подсасывает воздух, необходимый для полного сжигания газа в заданных количествах. Пропорционирование расходов газа и воздуха осуществляется при коэффициентах расхода воздуха _ = 1,05 – 1,10, которые близки к стехиометрическому значению. Эти горелки иногда называют кинетическими, так как, в отличие от диффузионных горелок, в которых время совокупного процесса регламентировано взаимной диффузией газа и воздуха, в горелках с полным предварительным смешением горение практически не зависит от диффузии, а определяется исключительно скоростью физико-химических реакций горения топлива.

Тип горелки выбирают в зависимости от свойств газового топлива, технологического назначения и производительности печи или топки и особенностей их конструкции.

Горелки без предварительного смешения целесообразно применять в печах, отапливаемых газом с высокой теплотой сгорания. Сжигая такой газ, можно обеспечить равномерный концентрированный нагрев металла до необходимой температуры в растянутом факеле при коэффициенте расхода воздуха _  1. В этих условиях горелка без предварительного смешения имеет явные преимущества. Во-первых, в связи с отсутствием опасности проскока пламени горелка имеет широкие пределы регулирования. Во-вторых, температура нагрева воздуха, подаваемого на горение, для таких горелок практически неограниченна. И, наконец, в связи с растянутым горением зона высоких температур удалена от кладки, что повышает стойкость футеровки печи. Кроме того, использование этих горелок позволяет работать попеременно на газовом топливе различных видов или на газе и мазуте попеременно и одновременно.

Для полного сжигания газа в этих горелках необходимо подавать существенное количество избыточного воздуха. Особенно это характерно для горелок радиационных труб, в которых суммарный коэффициент расхода воздуха составляет _ = 1,10 – 1,25.

Газогорелочные устройства с полным предварительным смешением применяют тогда, когда необходим высокотемпературный нагрев металлопродукции продуктами сгорания газообразного топлива с низкой теплотой сгорания, а также при рассредоточенной подаче тепла большим количеством горелок с целью высокой равномерности нагрева металлопродукции. Эти горелки особенно востребованы при скоростном, равномерном нагреве. Их часто именуют кинетическими горелками, так как, в отличие от стадий подготовки газовоздушной смеси к горению, стадия самого горения протекает практически мгновенно.

Горелки с частичным предварительным смешением следует применять в тех случаях, когда допустимая длина факела ограничена и требуется концентрированный подвод значительного количества тепла к металлопродукции при сравнительно небольших размерах горелки или когда требуется создать факел специальной формы. Горелки с организованным, регулируемым смешением следует применять в тех случаях, когда желательно изменять температуру по длине факела или для различных технологических и теплофизических процессов, например когда необходимо подавить процессы образования сажистого углерода или при постадийном сжигании природного газа для получения на первой стадии сжигания продуктов неполного сгорания с большим содержанием оксида углерода и водорода.

7. ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К УЗЛАМ, ДЕТА-ЛЯМ И СИСТЕМАМ АВТОМАТИЗАЦИИ ГАЗОГОРЕЛОЧ-НЫХ УСТРОЙСТВ

7.1. Требования техники безопасности и надежности

По общим правилам техники безопасности газогорелочные устройства и их конструктивные узлы должны полностью соответствовать ГОСТ 12.2-003. Так, предельно допустимые шумовые характеристики горелок должны соответствовать величинам, приведенным в табл. 2.

Если значения шумовых характеристик превышают допустимые величины, то при эксплуатации горелки необходимо использовать индивидуальные средства защиты органов слуха.

Таблица 2