Газогорелочные устройства — выдержка из реферата Основы эксплуатации систем газоснабжения (обзорный курс)

Газовые горелки классифицируются ГОСТ 21204-97  по следующим основным признакам[1]:

• способу подачи воздуха — бездутьевые горелки {подача воздуха вследствие разрежения в топочной камере или конвекции); инжекционные (инжекция воздуха газом или инжекция газа воздухом); дутьевые (подача воздуха принудительная без предварительного смешения газа с воздухом и с предварительным смешением газа и воздуха в горелке); дутьевые с подачей воздуха вентилятором, ротор которого вращается за счет энергии газа;
• теплоте сгорания газа — низкокалорийные горелки для газов с низшей теплотой сгорания менее 8 МДж/м3 (доменный и генераторный газы); среднекалорийные с низшей теплотой сгорания 8…20 МДж/м³ (коксовый газ); высококалорийные с низшей теплотой сгорания более 20 МДж/м3 (газы природные, нефтезаводов и попутные);
• характеру смесеобразования — кинетические горелки полного предварительного смешения; частично предварительного смешения (частично завершенного и незавершенного смешения газа и воздуха в пределах горелки); диффузионные внешнего смешения; диффузионно-кинетические с регулируемой длиной и светимостью факела;
• характеру сгорания — пламенные горелки со светящимся факелом; беспламенные (тоннельные и щелевые, импульсные ил» ударные, радиационные);
• давлению газа (избыточному) — горелки низкого давления, (до 5 кПа.); среднего (5…30 кПа); высокого давления (выше 30 кПа);
• локализации пламени — сжигание в свободном факеле, огнеупорном тоннеле или камере сгорания; сжигание на огнеупорной поверхности; сжигание в пористой, перфорированной или зернистой огнеупорной массе.

Помимо указанных классификационных признаков к ним; можно отнести и возможность сжигания дополнительного вида топлива — комбинированные горелки (газомазутные, пылегазовые и пылегазомазутные). Причем сжигание этих видов топлива может производиться одновременно или оперативным переходом с одного вида топлива на другой.

Инжекционные горелки, в которых воздух подсасывается (инжектируется) за счет энергии газовых струй,, выходящих из одного или нескольких сопел, широко применяют в промышленности вследствие экономичности, надежности в работе и простоты конструкции. Преимуществами горелок этого типа являются возможность работы без вентиляторного дутья и способность при определенных условиях поддерживать с достаточной точностью постоянство соотношения газ — воздух при изменении режима работы (нагрузки). Это значительно упрощает автоматическое и ручное регулирование процесса.

К основным недостаткам инжекционных горелок относятся значительные размеры, низкий предел регулирования из-за опасности проскока пламени при снижении нагрузки и высокий- уровень шума при работе на среднем и высоком давлении. Возможность проскока пламени в смеситель объясняется относительно невысоким КПД инжекционного смесителя, что не позволяет создавать достаточно высокие скорости истечения газовоздушной смеси.

Инжекционные горелки среднего давления инжектируют весь воздух, необходимый для полного сгорания газа, горелки низкого давления — только часть его (первичный воздух), остальное количество воздуха поступает в топочную камеру вследствие разрежения в последней. Устойчивая работа горелок среднего давления без отрыва факела более эффективна при наличии стабилизатора горения.

Горелки низкого давления могут работать и без специальных стабилизирующих устройств.

Нормальная работа инжекционных горелок полного предварительного смешения может быть обеспечена при давлении газа «е ниже 0,3 кПа, когда изменение разрежения в топочной камере на расход первичного дутьевого воздуха практически не влияет. С целью уменьшения размеров конструкции и длины факела выпускаются горелки с двумя и более соплами.

Инжекционные горелки низкого давления. К ним относятся горелки марки ГГИ конструкции Мосгазниипроекта, марки ГКС Мосгазниипроекта и др. Как правило, они изготовляются многофакельными или многосопловыми, что позволяет увеличить инжекционную способность при относительно невысоком давлении газа. В этих горелках количество первичного дутьевого воздуха составляет 40…70 % необходимого для полного сгорания, поэтому они относятся к горелкам неполного или частичного смешения. Такие горелки обладают свойством саморегулирования, т. е. соотношение газ — воздух или коэффициенты инжекции практически не меняются при сжигании природного газа в диапазоне изменения давления газа 1,3…5 кПа. Область применения этих горелок ограничена небольшим расходом газа — 10… 20 м3/ч для одной горелки[2].

Инжекционные горелки низкого давления широко используют для обогрева технологических и энергетических установок малой и средней мощности, работающих без разрежения или с разрежением не выше 10…30 Па. Для обеспечения инжекции, необходимой для полного сгорания газа, номинальное его давление должно быть не менее 1,1…1,3 кПа. Эти горелки работают устойчиво без дополнительной регулировки при снижении давления газа до 0,2…0,3 кПа и при повышении давления не более чем на 50 % сверх номинального. Верхний предел устойчивой работы горелок определяется отрывом факела, нижний — его проскоком. Длина факела зависит в основном от коэффициента избытка первичного воздуха, тепловой мощности горелки и организации подачи вторичного дутьевого воздуха. У большинства горелок длина факела не превышает 0,5…0,7 м. Минимальный коэффициент избытка воздуха при условии отсутствия химического недожога равен 1,3… 1,5.

К горелкам инфракрасного излучения относятся инжекционные горелки низкого давления унифицированной конструкции Донецкого НПО «Газоаппарат», ГК-27у, «Звездочка» и другие. Отличаются они тем, что передача теплоты производится излучением нагретого докрасна излучателя, которым служит перфорированная или пористая керамика, металлическая сетка, керамика совместно с сеткой. В отличие от инжекционных горелок низкого давления они обеспечивают инжекцию всего дутьевого воздуха, необходимого для полного сгорания газа, что достигается благодаря малому аэродинамическому сопротивлению смесителя и излучателей насадки, температура которой составляет 700…1000 °С.

К иижекционным горелкам среднего давления относятся горелки типа В конструкции Стальпроекта, типа ИГК конструкции Мосгазпроекта, типа БИГ конструкции Промэнерго и др. По принципу действия и конструкции они практически не отличаются от инжекционных горелок низкого давления. В этих горелках обязательным элементом является стабилизатор, предотвращающий отрыв факела, а весь необходимый для горени» воздух инжектируется горелкой. Коэффициент избытка первичного воздуха у большинства конструкций горелок равен 1,01… 1,1, и они способны нормально работать как при разрежении в топочной камере, так и при небольшом противодавлении (10… 30 Па).

Основным недостатком инжекционных горелок является повышенный уровень звукового давления при расходе газа свыше 90 м3/ч, что вызывает необходимость установки специальных глушителей.

Горелки с принудительной подачей воздуха широко применяют в различных тепловых устройствах коммунальных и промышленных предприятий.

По принципу действия эти горелки подразделяются на горелки с предварительным смешением газа и топлива и на горелки без предварительной подготовки газовоздушной смеси. Горелки обоих типов могут работать на природном, коксовом, доменном, смешанном и других горючих газах низкого и среднего давления. Диапазон рабочего регулирования — 0,1…5000 м3/ч.

Воздух в горелки подается центробежными или осевыми вентиляторами низкого и среднего давления. Вентиляторы могут быть установлены на каждой горелке или один вентилятор на определенную группу горелок. При этом, как правило, весь первичный воздух подается вентиляторами, вторичный же практически не влияет на качество горения и определяется только подсосом воздуха в топочную камеру через неплотности топочной арматуры и лючки.

Преимуществами горелок с принудительной подачей воздуха являются: возможность применения в топочных камерах с различным противодавлением, значительный диапазон регулирования тепловой мощности и соотношения газ — воздух, сравнительно небольшие размеры факела, незначительный шум при работе, простота конструкции, возможность предварительного подогрева газа или воздуха и использования горелок большой единичной мощности.

Горелки низкого давления применяют при расходе газа 50… 100 м3/ч, при расходе 100…5000 целесообразно использовать горелки среднего давления.

Давление воздуха в зависимости от конструкции горелки и необходимой тепловой мощности принимается равным 0,5… 5 кПа.

Химического недожога можно избежать при коэффициенте избытка воздуха 1… 1,1. Верхний предел регулирования тепловой мощности лимитируется давлением воздуха, создаваемым вентилятором. При необходимости изменения тепловой нагрузки горелки изменяют одновременно давление газа и воздуха. Поэтому при автоматической регулировке устанавливают регуляторы давления газа и воздуха, поскольку давление воздуха в зависимости от давления газа в этих горелках не регулируется. Расход газа и воздуха может регулироваться вручную кранами или задвижками в зависимости от качества сгорания топлива и необходимой длины факела, равной 0,3…3 м.

Для лучшего перемешивания топливно-воздушной смеси в большинство горелок газ подается небольшими струями под различным углом к потоку первичного дутьевого воздуха. С целью интенсификации смесеобразования потоку воздуха придают турбулентное движение при помощи специально установленных завихряющих лопаток, тангенциальных направляющих и т. д.

На рис. 1.1 приведены основные схемы горелок с принудительной подачей воздуха. Скорость истечения газа в них принимается равной 10…40 м/с. Эти горелки имеют смесительную камеру  небольших размеров. Стабилизация факела обеспечивается так же, как в инжекционных горелках среднего давления,— применением керамических тоннелей или тел плохо обтекаемой формы[3].

К наиболее распространенным горелкам с принудительной подачей воздуха внутреннего смешения относят горелки с расходом газа до 5000 м3/ч и более. В них можно обеспечить заранее заданное качество подготовки топливно-воздушной смеси до ее подачи в топочную камеру.

В зависимости от конструкции горелки процессы смешения топлива и воздуха могут быть различными: первый — подготовка топливно-воздушной смеси непосредственно в камере смешения горелки, когда в топку поступает готовая газовоздушная смесь, второй — когда процесс смешения начинается в горелке, а заканчивается в топочной камере. Во всех случаях скорость истечения газовоздушной смеси разна 16…60 м/с. Интенсификации смесеобразования газа и воздуха достигают путем струйной подачи газа, применения регулируемых лопаток, тангенциального подвода воздуха и пр.

Рис. 1.1. Принципиальные схемы газовых горелок с принудительной подачей воздуха.

[1] ГОСТ 21204-97. Горелки газовые промышленные. Общие технические требования (введен в действие Постановлением Госстандарта РФ от 17.09.1997 N 313) (ред. от 18.02.2005),- М.: ИПК Издательство стандартов, 1997.

[2] Брюханов О. И. Основы эксплуатации оборудования и систем газоснабжения / О. Н. Брюханов, А. И. Плужников. — М. : Инфра-М, 2005. С. 132.

[3] Горелки для отопительных и промышленных установок. — М.: Библиотека «Аква-Терм», 2003. С. 102.