Топки для сжигания газа

В промышленных парогенераторах и водогрейных котлах используются главным образом топки для сжиганя газа. Подготовка газа для его сжигания производится в газогорелочном устройстве. Газогорелочные устройства в зависимости от способа перемешивания в них газа с воздухом принято разделять на горелки полного предварительного смешения, диффузионные и частичного предварительного смешения.

В горелках полного предварительного смещения газ и воздух перед поступлением в топку предварительно полностью перемешиваются в необходимых для горения количествах и после этого готовая газовоздушная смесь подается в топку. В диффузионных горелках газ и воздух в необходимых для горения количествах раздельно подаются в топку и процесс перемешивания их протекает одновременно с процессом горения. В горелках частичного предварительного смешения только часть воздуха, необходимого для горения, перемешивается с газом, а остальной воздух подается непосредственно в топочную камеру как вторичный.

Способ перемешивания газа с воздухом, необходимым для горения, оказывает существенное влияние на устойчивость фронта пламени и характер факела, выдаваемого горелкой. Устойчивым фронтом пламени обладает такое горение, при котором обеспечивается непрерывное и самопроизвольное воспламенение новых порций газовоздушной смеси, выходящей из горелки. Толщина зоны горения наиболее медленно горящей газовоздушной смеси (согласно вычислениям академика Я. Б. Зельдовича) равна 0,6 мм, а наиболее быстро горящей смеси - 0,003 мм. Столь малая зона горения позволяет рассматривать пламя как поверхность, а распространение пламени в неподвижных смесях - как движение этой поверхности.

Для характеристики горючих свойств газовоздушной смеси в теории горения пользуются понятием нормальной скорости распространения пламени. Под нормальной скоростью распространения пламени понимают скорость движения пламени относительно невоспламененной смеси. Нормальная скорость распространения пламени имеет единицей метр в секунду и представляет собой количество смеси, воспламеняемой в единицу времени. Нормальная скорость распространения пламени для какой-либо смеси определенного состава зависит от физических свойств смеси и ее химической активности.

Нормальную скорость распространения пламени для различных газовоздушных смесей определяют опытным путем. Для водородно-воздушных смесей эта величина во много раз больше, чем для смесей метана или оксида углерода с воздухом. Нормальная скорость распространения пламени зависит от концентрации газа в воздухе, начальной температуры, давления смеси и других факторов.

Движение газовоздушной смеси может быть ламинарным или турбулентным. При турбулентном движении скорость распространения пламени значительно больше, чем при ламинарном. Очевидно, что устойчивое горение газовоздушной смеси может происходить только в определенном диапазоне скоростей истечения ее из горелки. Если скорость истечения газовоздушной смеси из горелки (при форсированной работе) значительно превысит скорость распространения пламени, то наступит явление отрыва пламени от выходного насадка горелки. Наоборот, если скорость истечения газовоздушной смеси будет значительно меньше нормальной скорости распространения пламени, то пламя начнет втягиваться в горелку и дойдет до того места, где происходит смешение газа с воздухом, т. е. произойдет явление, называемое проскоком пламени.

Явления отрыва и проскока пламени в горелку нарушают устойчивость ее работы и могут быть причиной серьезных аварий. Отрыв пламени может привести к заполнению топочной камеры и рабочих помещений несгоревшим газом и, следовательно, к отравлению людей или взрыву смеси. Проскок пламени в горелку приводит к недопустимому разогреву деталей горелки и в конечном счете выходу ее из строя.

Наиболее чувствительны к проскоку и отрыву пламени горелки полного предварительного смешения, поэтому при их установке применяются специальные устройства для стабилизации фронта пламени. В диффузионных горелках при существующих относительно невысоких форсировках стабилизация фронта пламени не вызывает особых затруднений.

Характер факела, выдаваемого горелками полного предварительного смешения, заметно отличается от факела диффузионных горелок. При горении предварительно перемешанной газовоздушной смеси протекает сравнительно короткопламенный процесс с образованием лучепрозрачных продуктов сгорания. Процесс горения полностью завершается при небольшом коэффициенте избытка воздуха (1,03-1,05). Если не приняты меры для улучшения перемешивания, диффузионные горелки выдают более длинный светящийся факел, и процесс горения протекает при более высоких коэффициентах избытка воздуха.

К газовым горелкам, применяемым на промышленных парогенераторах и водогрейных котлах, предъявляются следующие требования: простоты и дешевизны конструкции, широкого диапазона устойчивой и экономичной работы, возможности сжигания газа с низкими коэффициентами избытка воздуха без потерь теплоты от химической неполноты горения, приемлемой длины факела, отсутствия шума, удобства обслуживания и простоты автоматизации.

Надежная и экономичная работа парогенераторов и водогрейных котлов в значительной мере зависит от правильного выбора и компоновки горелочных устройств. Работу горелочных устройств нельзя рассматривать в отрыве от топочной камеры, мощности и конструкции котельного агрегата.

В настоящее время большое число промышленных парогенераторов и водогрейных котлов проектируется с топками для сжигания газа. При этом следует рассматривать широкий круг вопросов, решение которых должно обеспечить окончание процесса горения в пределах топочной камеры при низких коэффициентах избытка воздуха на выходе из топки (1,05-1,1); существенное повышение мощности котлоагрегата; минимальную температуру продуктов сгорания на выходе из топки; простой и быстрый переход на резервное топливо по возможности без остановки котла или даже без снижения его мощности; размещение горелок, обеспечивающее удобное обслуживание топки и не усложняющее компоновку устройств автоматического регулирования горения; минимальные капитальные затраты по установке газовых горелок; удобство ремонта и замены отдельных узлов; минимальные расходы электроэнергии на собственные нужды; безопасное и экономичное сжигание газа в широком диапазоне нагрузок котлоагрегата.

Из многочисленных конструкций газовых горелок, как полного предварительного смешения, так и диффузионных, рассмотрим горелки, наиболее часто применяемые для промышленных парогенераторов и водогрейных котлов.

На рис. 5-37 показана блочная инжекционная горелка полного предварительного смешения, разработанная производственно-техническим предприятием «Промэнергогаз» на базе исследований и конструктивных схем, выполненных ЛНИИАКХ (Ленинградский научно-исследовательский институт Академии коммунального хозяйства).

Горелка состоит из газового коллектора, в который вварены смесители 2. В каждом смесителе по окружности под углом просверлены газовыпускные отверстия. Газ подводится к коллектору через штуцер 3 и затем с большой скоростью вытекает из газовыпускных отверстий. За счет этого в смесителе создается разрежение, и в него из окружающей среды поступает воздух в количестве, необходимом для полного сжигания газа. В результате перемешивания газа с воздухом из смесителя выходит газовоздушная смесь, полностью подготовленная для сжигания. Стабилизация фронта пламени осуществляется в керамическом туннеле щелевого типа, который устанавливается на колосниковой решетке или устраивается в обмуровке топки.

При резервном твердом топливе горелки устанавливаются на боковых стенах топочной камеры, колосниковое полотно решетки засыпается битым огнеупорным кирпичом для предохранения его от перегрева. Переход на резервное твердое топливо требует закладки туннелей огнеупорным кирпичом и удаления огнеупорного кирпича из амбразуры пневмомеханического забрасывателя и с колосниковой решетки. Для выполнения указанных работ парогенератор должен быть остановлен с расхолаживанием топки. Блочные инжекционные горелки могут применяться на парогенераторах с D<10 т/ч при устойчивом или сезонном газоснабжении.

Горелки устойчиво работают при изменении давления газа в пределах от 5 до 85 кПа. Обычно горелки рассчитывают на давление 50-60 кПа при номинальной нагрузке. В топках, оборудованных блочными инжекционными горелками, обеспечивается сжигание газа без потерь от химической неполноты горения с коэффициентом избытка воздуха на выходе из горелок 1,05 при работе их с номинальной нагрузкой. При нагрузках горелки менее 50 % номинальной наблюдается заметное увеличение коэффициента избытка воздуха.

При устойчивом или сезонном газоснабжении и резервном слоевом способе сжигания твердого топлива для парогенераторов и водогрейных котлов мощностью до 10 МВт применяются горизонтальные щелевые (подовые) горелки. Горелка представляет собой стальную трубу с внутренним диаметром 53 мм, заглушенную с одного конца. В трубе в шахматном порядке просверлено два ряда газовыпускных отверстий под углом 90° друг к другу. Труба располагается в щели из огнеупорного кирпича. Струйки газа, вытекающие из газовыпускных отверстий, встречаются с воздухом, поступающим в щель сквозь колосниковую решетку, смешиваются с ним и воспламеняются. Стабилизация фронта пламени осуществляется стенками щели, нагретыми до высокой температуры.

Подовые горелки устойчиво работают в широком диапазоне изменения давления газа, от 0,1 до 70 кПа, поэтому могут применяться при низком и среднем давлении газа. Процесс горения при работе подовых горелок полностью заканчивается на расстоянии от газовыпускных отверстий, не большем 2 м, при ширине щели 100 мм и коэффициенте избытка воздуха на выходе из горелки 1,05-1,10. Установка подовых горелок может производиться с фронта или со стороны боковой стены топки. Пример фронтовой компоновки горелок показан на рис. 5-38. При переходе на твердое топливо требуется демонтаж горелок и удаление пода.

На рис. 5-39 показана компоновка вертикальных щелевых горелок конструкции института «Ленгипроинжпроект». Вертикальные щелевые горелки применяются при переводе парогенераторов со слоевого сжигания твердого топлива на газ и сохранении твердого топлива в качестве резервного. Горелка состоит из металлического короба, в котором установлены две газораспределительные трубки диаметром 40-60 мм (в зависимости от мощности горелки). На каждой трубке просверлен ряд газовыпускных отверстий, расположенных под углом 45° к оси горелки. Газ, выходя из отверстий, смешивается с воздухом, поступающим из воздухопровода в короб горелки. Затем газовоздушная смесь поступает в щель шириной 80 мм, прорезанную в обмуровке топки. Высота щели изменяется в зависимости от мощности горелки.

Вертикальные щелевые горелки устойчиво работают при изменении давления газа от 2,5 до 35 кПа. Процесс горения при коэффициенте избытка воздуха 1,05-1,10 полностью заканчивается на расстоянии примерно 1600 мм от газовыпускных отверстий. Установка горелок производится на боковых стенах топочной камеры, колосниковая решетка защищается от перегрева слоем битого огнеупорного кирпича.

При резервном жидком топливе применяются комбинированные газомазутные горелки, описанные в предыдущем параграфе. Газовая часть комбинированных газомазутных горелок типа ГМГА, ГМГБ, ГМГМ состоит из газовыпускных отверстий, расположенных на торцевой части газового ствола. У горелок РГМГ газовыпускные отверстия расположены в газораздающем коллекторе, имеющем форму кольца. При работе на газе мазутная форсунка должна удаляться из воздушного короба. Для удобства удаления форсунки из воздушного короба она крепится к кольцу-раме двухосным кронштейном, позволяющим ей совершать сложное поступательное и вращательное движения. При выводе форсунки из воздушного короба центральное отверстие закрывается специальными захлопками.

При резервном твердом топливе, сжигаемом в пылеугольных топках, применяются комбинированные пылегазовые горелки. В качестве примера на рис. 5-40 показана комбинированная пылегазовая горелка конструкции Оргэнергостроя. Горелка представляет собой обычную пылевую горелку конструкции ОРГРЭС - ЦКТИ с добавлением специальной кольцевой камеры, в которую поступает газ, выдаваемый через один или несколько рядов газовыпускных отверстий в закрученный поток воздуха. При работе на газе подвижная часть телескопической трубы с чугунным насадком и конусом убирается внутрь горелки, как показано на рис. 5-40 сплошными линиями. Штриховыми линиями справа показано положение конуса при сжигании угольной пыли.