Газовые горелки

СМЕСЕОБРАЗОВАНИЕ И ГОРЕНИЕ ПРИ СЖИГАНИИ ГАЗОВОГО ТОПЛИВА

А. С.Иссерлин

В основе процесса горения лежат химические реакции соедине­ния топлива с окислителем. Для протекания процесса горения газа должны быть созданы специальные условия. Во-первых, необхо­димо к горючему газу подвести в достаточном количестве окислитель (чаще всего воздух) и перемешать их. Во-вторых, газовоздушная смесь должна иметь концентрационные пределы воспламеняемости и должен быть создан источник воспламенения. В-третьих, необхо­димо создать условия для развития процесса горения, т. е. опреде­ленный температурный уровень.

Смесеобразование (равномерное смешение газа с воздухом) — одна из основных стадий всего процесса горения. От процесса сме­сеобразования во многом зависят и все дальнейшие стадии, через которые проходит топливо при превращении химической энергии в тепловую. Поскольку в зоне горения всегда устанавливается вы­сокий температурный уровень, время, затрачиваемое на химиче­ские реакции горения, всегда значительно меньше времени, необ­ходимого для процесса смесеобразования.

Сжигание газового топлива, как и любого другого, в воздушном потоке в соответствии с современными воззрениями возможно на основе кинетического и диффузионного принципов.

Полное время сгорания газа, определяющее скорость сгорания,

ТП ТС~1'~Х1

Где тс — время смесеобразования, необходимое для смешения газа с окислителем; тх — время протекания химических реакций.

Если тс<Стх, то практически тп«т*. В этом случае процесс про­текает в кинетической области. Если же, наоборот, Тс^-Тх, то Тп»тс и, следовательно, процесс протекает в диффузионной об­ласти.

При протекании процесса горения в кинетической области ско­рость горения зависит от свойств данной горючей смеси, темпера­туры в реакционном объеме и концентрации реагентов в зоне го­рения, т. е. регулируется законами химической кинетики. В то же время скорость процесса в кинетической области не зависит от гидродинамических факторов, т. е. от скорости потока, геометриче­ских размеров реакционной камеры и т. д.

Наоборот, в диффузионной области скорость процесса опреде­ляется гидродинамическими факторами и не зависит от кинетиче­ских. В этой области перестают играть определяющую роль свой­ства горючей смеси и температурный фактор. Сравнительно про стыми гидродинамическими средствами можно влиять на интен­сивность смешения, что приведет к изменению характеристик диф­фузионного факела.

При кинетическом принципе в горелке предварительно создается • однородная газовоздушная смесь, которая и подается в топочную камеру. Поэтому горение такой смеси протекает при постоянном значении всех основных характеристик (теплонапряжение, избыток воздуха и т. д.). Чисто кинетическое горение возникает лишь при соблюдении условия А^1,0. При а<1 кинетическое горение про­текает лишь на первой стадии, т. е. до тех пор, пока не израсходо­ван весь кислород смеси. Остаток горючих компонентов, разбав­ленных продуктами сгорания, может быть сожжен только при условии подвода дополнительного окислителя (воздуха).

Диффузионный принцип сжигания подразумевает создание та­ких условий для возникновения процесса, при которых смесь сго­рает немедленно при самом ее возникновении, т. е. при соприкос­новении топлива и окислителя в соответствующих количественных соотношениях. Процесс диффузионного горения регулируется из­менением интенсивности смесеобразования путем варьирования конструктивных и режимных параметров горелки. В результате в зависимости от технологических требований можно добиться уко­рочения зоны смешения или ее удлинения.

В практике часто применяется сжигание газа, сочетающее в себе оба упомянутых принципа. В этом случае часть воздуха предварительно смешивается с газом в горелке, а остальная часть, необходимая для полного сгорания, подается непосредственно в зону горения. Изменяя это соотношение, можно воздействовать на длину газового факела. В большинстве горелок газ подается под тем или иным углом к потоку воздуха.

Изучению процесса смесеобразования посвящено много работ. Это позволяет сформулировать некоторые общие закономер­ности.

Для прямоточных газовых горелок смешение тем лучше, чем большую часть поперечного сечения горелки охватывают газовые струи, т. е. чем больше дально­бойность газовых струй. В горелках с сильно закрученными потоками не следует стремиться к большой дальнобойности газовых струй.

Увеличение крутки потока воздуха приводит к перераспределению газа и воздуха по сечению горелки, повышению интенсивности перемешивания газа с воздухом и увеличению центральной зоны обратных токов в горелке.

Характер влияния крутки воздушного потока на процесс смесеобразования различен в зависимости от остальных определяющих параметров. Так, при по­даче газа в периферийные зоны горелки (независимо от ее типа) увеличение крутки потока приводит к заметному улучшению смесеобразования. Наоборот, при подаче газа в центральную зону горелки рост крутки не приводит, как пра­вило, к улучшению процесса,«решения.

Совокупность явлений, которую мы называем горением, может протекать только в определенной последовательности, от одной стадии к другой. Г. Ф. Кнорре дает следующие схемы установив­шегося процесса горения газового и жидкого топлива с фиксиро­ванным очагом, которые он называет поточными (рис. 1). Про­стейшая поточная схема возникает при сжигании газового топлива, состоящего из простых молекул (например, водород), не требую­щих предварительного сложного пирогенного разложения (рис. 1, А). Когда же сжигается газовое или жидкое углеводородное топливо, А 6

Поточный процесс горения осложняется: возникает еще одна про­межуточная стадия — пирогенное разложение. Для жидкого топ­лива этой стадии предшествует стадия испарения (рис. 1,6). Для осуществления поточной схемы необходим достаточный темпера­турный уровень в очаге горения, к которому непрерывными пото­ками подводятся топливо и окислитель. Продукты сгорания после завершения реакций также непрерывно отводятся от очага горения.

Известно, что газовоздушные смеси воспламеняются только в том случае, когда содержание газа в воздухе находится в опре­деленных (для каждого газа) пределах. При незначительных со­держаниях газа количество тепла, выделившегося при горении, недостаточно для доведения соседних слоев смеси до температуры воспламенения. То же наблюдается и при слишком большом со­держании газа в газовоздушной смеси. Недостаток кислорода воз­духа, идущего на горение, приводит к понижению температурного уровня, в результате чего соседние слои смеси не нагреваются до

✓

Температуры воспламенения. Этим двум случаям соответствуют нижний и верхний пределы воспламеняемости (табл. 1). Поэтому кроме перемешивания газа с воздухом в определенных пропорция должны быть созданы начальные условия для воспламенения смеси.

Окисление горючих газов возможно при низких температурах, но тогда оно протекает чрезвычайно медленно из-за, незначитель­ной скорости реакций. При повышении температуры скорость реак­ции окисления возрастает до наступления самовоспламенения (вместо медленного окисления начинается процесс самопроизволь­ного горения). Значит, нагретая до температуры воспламенения горючая смесь обладает такой энергией, которая не только компен­сирует потери тепла в окружающую среду, но обеспечивает нагрев и подготовку газовоздушной смеси, поступающей к зону горения, к воспламенению.

Температура воспламенения газа зависит от ряда факторов, в том числе от содержания горючего газа в газовоздушной смеси, давления, способа нагрева смеси и т. д., и поэтому не является точной величиной. В табл. 1 приведены значения температур вос­пламенения некоторых горючих газов в воздухе.

В практике встречаются два способа воспламенения горючих смесей: самовоспламенение и зажигание.

При Самовоспламенении весь объем горючей газовоздушной смеси постепенно доводится до температуры воспламенения, после чего смесь воспламеняется уже без внешнего теплового воздей­ствия.

В технике широко применяется второй способ, именуемый За­жиганием. При этом способе не требуется нагревать всю газовоз­душную смесь до температуры воспламенения, достаточно зажечь холодную смесь в одной точке объема каким-нибудь высокотемпе­ратурным источником (искра, накаленное тело, дежурное пламя и т. д.). В результате воспламенение передается на весь объем смеси самопроизвольно путем распространения пламени, происхо­дящего не мгновенно, а с определенной пространственной ско­ростью. Эта скорость называется Скоростью распространения пла­мени в газовоздушной смеси и является важнейшей характеристи­кой, определяющей условия протекания и стабилизации горе­ния. Устойчивость работы горелок, как будет показано ниже, свя­зана со скоростью распространения пламени.

Таким образом, процесс горения газового топлива состоит из смешения газа с воздухом, нагрева полученной смеси до темпера­туры воспламенения, зажигания ее и протекания реакций горения, сопровождающихся выделением тепла. Причем смешение газа с воздухом и нагрев смеси занимают большую часть времени в про­цессе горения, так как реакции горения протекают практически мгновенно.

В зависимости от технологического процесса (получение пара и горячей воды в котельном агрегате, нагрев изделий в печной установке и т. д.) возникает необходимость влиять на процесс го­рения, изменяя его конечные характеристики. Это достигается раз­личными конструктивными приемами, которые изложены в гл. III.

Показательно сопоставление полей температур в объеме факела при сжигании газа с различными коэффициентами избытка воз­духа. Пример такого сопоставления дан на рис. 2 для горелки с диаметром выходного насадка 35 мм в виде зависимости

Где И — текущее значение температуры в факеле, °С; £тах — макси­мальная температура в факеле (замеренная), °С; Х— расстояние от точки замера до начала факела, м; У — расстояние от точки за­мера до оси факела, м; Й — диаметр насадка горелки, м.

На рис. 2 приведены графики распределения температур для трех коэффициентов избытка воздуха. Причем координате Х/й=О соответствует выходное сечение насадка горелки, а координате У/й=0 — ось факела.

Как видно из рисунка, распределение температур в свободном факеле неравномерно. При малых избытках первичного воздуха, например а=0,5, наличие внутреннего ядра в факеле сильно иска­жает температурное поле и оно выравнивается только на расстоя­нии х/с/ =10, тогда как при а=0,75 выравнивание наступает уже при Х/й=2,5, а при а=1,0 еще раньше — при Х/й=1,0.

Наивысшие температуры в открытых факелах наблюдаются в начальных сечениях на расстоянии от оси факела У/й =0,5, а за­тем по центру факела. Причем с увеличением коэффициента из­бытка воздуха максимум температур смещается к устью горелки. Так, наивысшая температура при а=0,75 измерена на расстоянии Х/й=2,5, а при а =1,0 — на расстоянии Х/й=1,0.

При совместном рассмотрении распределения температур и кон­центраций С02 в факеле наблюдается совпадение максимумов •

Температур и содержаний С02. Следовательно, максимальному температурному уровню в факеле соответствует и максимальная величина степени выгорания горючих.

Потери части тепла, выделившегося в результате сгорания газа, неизбежны. Однако они могут быть снижены до минимума при правильном ведении топочного процесса. Рассмотрим, из каких же. составляющих складываются эти потери.

При сжигании газового топлива имеют место следующие по­тери тепла: с уходящими газами, от химической неполноты сгора­ния и в окружающую среду. На основании определения отдельных потерь тепла по обратному балансу может быть подсчитан к. п. д (коэффициент полезного действия) агрегата, °/о:

7]=Ю0— (?2+?з + <75),

Где <72 — потери тепла с уходящими газами, %; — потери тепла

От химической неполноты сгорания, %; Q5 — потери тепла в окру­жающую среду, %.

Потери тепла с уходящими газами — физическое тепло продук­тов сгорания, покидающих агрегат, — являются основными. Пол­ностью устранить их невозможно, однако необходимо стремиться к уменьшению. Потери тепла с уходящими газами зависят от тем­пературы газов и их количества. Чем ниже температура уходящих газов, тем меньше тепла будет теряться, поэтому следует стре­миться к снижению в разумных пределах температуры уходящих газов. Влияние температуры уходящих газов на потери тепла видно из табл. 2.

Таблица 2

Потерю тепла с уходящими газами выражают обычно в процен­тах от всего располагаемого тепла, т. е. от теплоты сгорания топ­лива. Например, если потеря тепла составляет 700 ккал/м3 при сжигании природного газа, то

— 700-100 ___ „ 24°/

8500 —/о-

Количество покидающих агрегат газов зависит от коэффици - ента избытка воздуха, с которым работает горелка, и присосов

Воздуха через неплотности в агрегате. Чем больше коэффициент избытка воздуха на выходе из горелки и присосы воздуха в агре­гат, тем выше потери тепла с уходящими газами. Из табл. 2 видно, что изменение общего коэффициента избытка воздуха в продуктах сгорания с аа= 1,2-5-1,6 увеличивает потерю тепла с уходящими га­зами с 10,5 до 13,2% (при неизменной температуре уходящих газов 240° С).

Таким образом, для снижения потерь тепла с уходящими га­зами необходимо вести процесс горения с наименьшим допусти­мым коэффициентом избытка воздуха, обеспечивать наибольшую плотность агрегата и добиваться снижения температуры уходящих газов.

Потери тепла от химической неполноты сгорания газа возни­кают при недостатке воздуха, плохом смешении в газовой горелке, при резком снижении температурного уровня в зоне горения. В ре­зультате горение газа протекает неполно и с продуктами сгорания уходят горючие компоненты (например, водород, окись углерода и др.). Это приводит к недоиспользованию химической энергии топлива и снижению экономичности работы агрегата. Даже не­большое содержание горючих компонентов в продуктах сгорания приводит к существенным потерям тепла от химической неполноты сгорания. Предположим, что в продуктах сгорания содержалось 0,7% водорода и 0,5% окиси углерода. В агрегате сжигался при­родный газ с коэффициентом избытка воздуха за установкой а» = = 1,5. Потери тепла от химической неполноты сгорания составили ~450 ккал/м3 или

А___ 450-100 поо/

8500 ' '°‘

Таким образом, из рассмотренного примера видно, что горючие компоненты в продуктах сгорания должны полностью‘отсутство­вать или составлять минимальную величину.

Потери тепла в окружающую среду связаны с тем, что стенки агрегата имеют более высокую температуру, чем окружающий его воздух. Величина этих потерь зависит в основном от разности тем­ператур между наружными стенками агрегата и окружающим воз­духом, величины поверхности стен, теплопроводности материала кладки и ее толщины. Потери в окружающую среду подсчиты­ваются теоретически или принимаются из норм теплового расчета в зависимости от конструкции и производительности агрегата.

Если просуммируем все тепловые потери, которые имеют место при сжигании газа в агрегате, и вычтем их из 100, то получим к. п. д. агрегата. Например, воспользуемся цифрами, приведен­ными выше, приняв <75 равным 3,60%, тогда к. п. д. агрегата

Т]= 100—(8,24+5,28+3,60)=82,88%*