Топки для сжигания газа

Главная » Статьи »  Топки для сжигания газа

Топки для сжигания газа

При изучении процесса горения топлива отмечалось, что наилучших условий для сжигания топлива можно достигнуть при совершенном перемешивании частичек топлива и воздуха. В таких случаях полное сгорание топлива обеспечивается при минимальных избытках воздуха.

Сжигая твердое топливо в виде пыли в камерных топках, в значительной степени удается приблизиться к указанным характеристикам хорошей работы топочного устройства. Наиболее высоких показателей можно достигнуть при сжигании в камерных топках мазута и особенно газа, так как при минимальных значениях избытка воздуха и потери от химической неполноты сгорания при сжигании газа отсутствует потеря от механического недожога.

Практически при сжигании газового топлива в отопительно- производственных котельных установках приходится встречаться главным образом со следующими разновидностями горючих газов:

  1. природный газ;
  2. искусственный газ (коксовый, генераторный, нефтяной) и смесь природного и искусственного газа;
  3. доменный газ.

В условиях Москвы сжигается природный газ и газ смешанный.

Природный газ в процентах по объему имеет в среднем следующий состав: СН4 =94,0 %; С2Н6 =1,2 %; С3Н8 = 0,7 %; С4Н16 = 0,4%; С5Н12 = 0,2%; СО2 = 0,2%; N2 = 3,3%. Удельный вес газа γn = 0,765 кг/нм3, и теплотворная способность сухого газа Qcн =8533 ккал/нм3.

Смешанный газ может иметь различный состав в зависимости от вида и соотношения тех газов, которые в него входят. Например, в условиях Москвы в состав смешанного газа входят: природный газ, коксовый газ, нефтяной газ - отходы, воздушный и водяной генераторные газы.

Теплотворная способность этого смешанного газа в зависимости от количественных соотношений составляющих его газов колеблется от 5000 до 7000 ккал/нм3.

Методы проектирования горелок. Качественные показатели при сжигании газа зависят главным образом от конструкции газовой горелки.

Чтобы достигнуть полного сгорания при минимальном значении коэффициента избыточного воздуха, необходимо хорошо предварительно, перед сжиганием, перемешать воздух с газом, причем перемешивание с воздухом скорее достигается у мелких струй газа, чем у крупных.

При проектировании горелок требуется, чтобы при выходе газовоздушной смеси из смесительной камеры горелки скорость газовоздушной смеси была бы выше скорости распространения пламени в ней, в противном случае получается проскок пламени в смесительную камеру горелки. Для устойчивого воспламенения и горения газовоздушной смеси важно иметь равномерное распределение скоростей газовоздушной смеси в устье горелки. С явлением проскока пламени можно бороться путем уменьшения диаметра выходных отверстий из смесительной части горелки. Чрезмерно большие выходные скорости недопустимы, так как пламя может оторваться от устья горелки.

Хороших результатов в отношении перемешивания газовоздушной смеси и выравнивания поля скоростей по сечению можно достигнуть в смесительных газовых горелках, в которых газ засасывает воздух и далее нагнетает газовоздушную смесь.

Давление газа в городских сетях бывает различным. В кольцевом газопроводе среднего давления давление газа принимается от 3000 до 10000 мм вод. ст. В сетях низкого давления давление газа колеблется в пределах 100-200 мм вод. ст. Ввиду потери давления в трубопроводах и арматуре непосредственно перед горелками давление газа получается равным 50-80 мм вод. ст.

Необходимо отметить, что чем выше теплотворная способность газа, тем больше приходится подавать воздуха для сжигания 1 м3 газа, что иллюстрируется следующим сопоставлением.

Формула

Как видно из этих данных, наибольшее количество воздуха требуется для сжигания 1 нм3 природного газа.

Рис. 116

Конструкции горелок. Подсосать все количество требующегося для сжигания воздуха в струйном смесителе при низком давлении газа затруднительно. Поэтому большое распространение получили так называемые атмосферные горелки, где подсасывается струей газа только часть требующегося воздуха, а остальной воздух подходит уже непосредственно к горящему факелу. На рис. 116 приведена атмосферная горелка Мосгазпроекта.

При низком давлении газа в сети иногда отказываются от струйного смесителя и переходят на смесительные горелки путем вдувания воздуха вентилятором. На рис. 117 приводится конструкция такой горелки ВТИ. Горелка состоит из трех труб, вставленных одна в другую. В кольцевое пространство между внутренними трубами подается газ, воздух же, подводимый от вентилятора среднего давления, поступает в кольцевое пространство между средней и наружной трубой. Конструкцией предусматривается завихривание газовых и воздушных потоков.

Рис. 117

Зажигание газа производится через внутреннюю трубу, через нее же наблюдают и за работой горелки. На рис. 118 показана установка двух таких горелок под водотрубным котлом. Топки для сжигания газа предусматривает возможность перехода на сжигание твердого кускового топлива.

Для полноценного использования трубопровода дальнего газоснабжения подача газа в единицу времени должна оставаться постоянной в течение круглого года. Потребность же в газе для отопительных целей, естественно, сильно возрастает в зимнее время. В связи с этим желательно предусматривать возможность перевода котельной с газа на твердое топливо.

Топки для сжигания газа, представленные на рис. 118, была подвергнута испытанию, показавшему высокие теплотехнические характеристики топки. При испытаниях сжигался саратовский природный газ. Минимальные потери тепла q2 + q3 достигались при избытке воздуха за котлом αк = 1,2, что примерно соответствует избытку воздуха в топке, равном αт= 1,1, причем потеря qз приближалась к нулю.

Рис. 118

Большую роль в смысле ускорения процесса горения в рассматриваемой топке играла накаленная обмуровка амбразуры горелки, выполненная из шамотного кирпича класса А. Тепловое напряжение объема топочного пространства в опытах достигало величины 370 тыс. ккал/м3 час. Ввиду расположения по фронту котла топочных дверок для сжигания твердого топлива две газовые горелки в этом котле были смонтированы так, что объем топочного пространства для факела использовался лишь частично.

Q/V в рассматриваемой топке фактически достигало значений 550 тыс. ккал/м3час.

Почти весь воздух, требующийся для горения, подводился в смесительную трубу горелки, а факел в большинстве случаев не выходил из пределов амбразуры, т. е. сжигание газа в этой топке приближалось к так называемому беспламенному горению.

Последний вид сжигания газа отличается тем, что в горелку подается полностью перемешанная горючая смесь газа со всем необходимым для сгорания количеством воз-духа и сгорание горючей смеси происходит в присутствии твердой накаленной поверхности. При этом полное сгорание газа достигается при минимальных избытках воздуха αт = 1,05.

Объем топочной камеры, приспособленной к беспламенному сжиганию газа, может быть резко сокращен, так как при этом достигаются весьма высокие удельные тепловые нагрузки - порядка десятков миллионов ккал/м3час. Если в ряде случаев к подобному сокращению объема не прибегают, то только из желания развить поверхность нагрева топочных экранов, воспринимающих тепло излучения и работающих поэтому с большой эффективностью.

Как уже указывалось выше, наилучшее смешение газа и всего воздуха, требующегося для горения, получается в струйных смесительных горелках. Низкое давление газа - порядка 20-50 мм вод. ст. - ставило препятствия в распространении подобного типа газовых горелок для беспламенного сжигания газа. В последнее время разработана (К- Н. Правоверовым и С. Н. Шориным) и внедряется (в первую очередь в бытовые приборы) смесительная газовая горелка беспламенного типа для сжигания газа низкого давления.

В промышленности беспламенные газовые горелки нашли широкое распространение, особенно в металлургических печах.

Изучением условий сжигания доменного газа под котлами промышленных котельных занимался ВНИИТ, причем большая работа по экспериментированию в области беспламенного сжигания доменного газа и выработке совершенных конструкций газовых горелок была проведена канд. техн. наук А. В. Арсеевым.

На рис. 119 приводится схема беспламенной горелки для сжигания доменного газа. Смесительная камера в этой горелке струйного типа, причем подсасывание производится не газом воздуха, а, наоборот, воздухом газа. Это связано с тем, что в большинстве случаев давление доменного газа в сети не превышает 100 мм вод. ст., а если учесть сопротивление по пазозому тракту до горелок, перед ними давление газа составит всего 60 мм вод. ст. и ниже. Воздух в смеситель горелки нагнетается центробежным вентилятором среднего дав тения и завихривается в улитке смесителя (рис. 120). После смесителя газовоздушная смесь направляется в трубу небольшого диаметра с целью повышения скорости выхода смеси, для того чтобы избежать возможность проскоков пламени в чугунную фурму горелки, имеющую водяное охлаждение (рис. 121). После фурмы газовоздушная смесь попадает в область высоких температур, создаваемых накаленными шамотными стенками; здесь смесь быстро загорается, и, проходя предварительную камеру (рис. 119), горящий поток распределяется на ряд параллельных потоков, идущих по туннелям. Предварительная камера и туннели выполняются из шамотного кирпича класса А. Температура горящего газа достигает теоретической температуры горения, которая для доменного газа в зависимости от избытка воздуха составляет 1300-1500°. В пространстве, окруженном раскаленными стенками туннелей, газ сгорает при теплвых напряжениях топочного объема порядка Q/V= 12-15 млн.ккал/м3 час. Скорость газовой смеси в туннелях составляет 40÷55 м/сек при сопротивлении газовому потоку в туннельной части горелки 75-50 мм вод. ст.

Рис. 119

Избыток воздуха, с которым происходит сжигание доменного газа, в этих условиях изменяется в пределах 1,05-1,1. Длина туннельной части горелки с целью обеспечения полного горения обычно выходит за пределы кладки топочных стен в 2 1/2 кирпича, доходя до 1 м. Если топки для сжигания газа, например, для возможности перехода на твердое топливо имеет развитый топочный объем (рис. 122), то туннельная часть могла бы быть сокращена в длину, так как догорание может происходить в указанном объеме топки для сжигания газа.

Рис. 121-122

Горелки для сжигания доменного газа следует монтировать наклонно (рис. 122) с целью обеспечить стекание шлака, образующегося от расплавления пыли, заносимой в туннели горелки вместе с газом. Мощность горелки, приведенной на рис. 122, равняется 2000 нм3/час.

Если имеется возможность обеспечить давление газа перед горелкой в пределах 120-150 мм вод. ст., то конструкция смесительной беспламенной газовой горелки значительно упрощается.

В таком случае струей газа подсасывается из окружающей среды воздух и газовоздушная смесь нагнетается в горелку (рис. 123). Установка такой смесительной газовой горелки отличается простотой (рис. 124).

Рис. 123-124

Большим достоинством этой газовой горелки является автоматическое регулирование подсасываемого струей газа воздуха в зависимости от расхода газа.

3D - тур по модульной котельной

Топки для сжигания газа

При изучении процесса горения топлива отмечалось, что наилучших условий для сжигания топлива можно достигнуть при совершенном перемешивании частичек топлива и воздуха. В таких случаях полное сгорание топлива обеспечивается при минимальных избытках воздуха.

Сжигая твердое топливо в виде пыли в камерных топках, в значительной степени удается приблизиться к указанным характеристикам хорошей работы топочного устройства. Наиболее высоких показателей можно достигнуть при сжигании в камерных топках мазута и особенно газа, так как при минимальных значениях избытка воздуха и потери от химической неполноты сгорания при сжигании газа отсутствует потеря от механического недожога.

Практически при сжигании газового топлива в отопительно- производственных котельных установках приходится встречаться главным образом со следующими разновидностями горючих газов:

  1. природный газ;
  2. искусственный газ (коксовый, генераторный, нефтяной) и смесь природного и искусственного газа;
  3. доменный газ.

В условиях Москвы сжигается природный газ и газ смешанный.

Природный газ в процентах по объему имеет в среднем следующий состав: СН4 =94,0 %; С2Н6 =1,2 %; С3Н8 = 0,7 %; С4Н16 = 0,4%; С5Н12 = 0,2%; СО2 = 0,2%; N2 = 3,3%. Удельный вес газа γn = 0,765 кг/нм3, и теплотворная способность сухого газа Qcн =8533 ккал/нм3.

Смешанный газ может иметь различный состав в зависимости от вида и соотношения тех газов, которые в него входят. Например, в условиях Москвы в состав смешанного газа входят: природный газ, коксовый газ, нефтяной газ - отходы, воздушный и водяной генераторные газы.

Теплотворная способность этого смешанного газа в зависимости от количественных соотношений составляющих его газов колеблется от 5000 до 7000 ккал/нм3.

Методы проектирования горелок. Качественные показатели при сжигании газа зависят главным образом от конструкции газовой горелки.

Чтобы достигнуть полного сгорания при минимальном значении коэффициента избыточного воздуха, необходимо хорошо предварительно, перед сжиганием, перемешать воздух с газом, причем перемешивание с воздухом скорее достигается у мелких струй газа, чем у крупных.

При проектировании горелок требуется, чтобы при выходе газовоздушной смеси из смесительной камеры горелки скорость газовоздушной смеси была бы выше скорости распространения пламени в ней, в противном случае получается проскок пламени в смесительную камеру горелки. Для устойчивого воспламенения и горения газовоздушной смеси важно иметь равномерное распределение скоростей газовоздушной смеси в устье горелки. С явлением проскока пламени можно бороться путем уменьшения диаметра выходных отверстий из смесительной части горелки. Чрезмерно большие выходные скорости недопустимы, так как пламя может оторваться от устья горелки.

Хороших результатов в отношении перемешивания газовоздушной смеси и выравнивания поля скоростей по сечению можно достигнуть в смесительных газовых горелках, в которых газ засасывает воздух и далее нагнетает газовоздушную смесь.

Давление газа в городских сетях бывает различным. В кольцевом газопроводе среднего давления давление газа принимается от 3000 до 10000 мм вод. ст. В сетях низкого давления давление газа колеблется в пределах 100-200 мм вод. ст. Ввиду потери давления в трубопроводах и арматуре непосредственно перед горелками давление газа получается равным 50-80 мм вод. ст.

Необходимо отметить, что чем выше теплотворная способность газа, тем больше приходится подавать воздуха для сжигания 1 м3 газа, что иллюстрируется следующим сопоставлением.

Формула

Как видно из этих данных, наибольшее количество воздуха требуется для сжигания 1 нм3 природного газа.

Рис. 116

Конструкции горелок. Подсосать все количество требующегося для сжигания воздуха в струйном смесителе при низком давлении газа затруднительно. Поэтому большое распространение получили так называемые атмосферные горелки, где подсасывается струей газа только часть требующегося воздуха, а остальной воздух подходит уже непосредственно к горящему факелу. На рис. 116 приведена атмосферная горелка Мосгазпроекта.

При низком давлении газа в сети иногда отказываются от струйного смесителя и переходят на смесительные горелки путем вдувания воздуха вентилятором. На рис. 117 приводится конструкция такой горелки ВТИ. Горелка состоит из трех труб, вставленных одна в другую. В кольцевое пространство между внутренними трубами подается газ, воздух же, подводимый от вентилятора среднего давления, поступает в кольцевое пространство между средней и наружной трубой. Конструкцией предусматривается завихривание газовых и воздушных потоков.

Рис. 117

Зажигание газа производится через внутреннюю трубу, через нее же наблюдают и за работой горелки. На рис. 118 показана установка двух таких горелок под водотрубным котлом. Топки для сжигания газа предусматривает возможность перехода на сжигание твердого кускового топлива.

Для полноценного использования трубопровода дальнего газоснабжения подача газа в единицу времени должна оставаться постоянной в течение круглого года. Потребность же в газе для отопительных целей, естественно, сильно возрастает в зимнее время. В связи с этим желательно предусматривать возможность перевода котельной с газа на твердое топливо.

Топки для сжигания газа, представленные на рис. 118, была подвергнута испытанию, показавшему высокие теплотехнические характеристики топки. При испытаниях сжигался саратовский природный газ. Минимальные потери тепла q2 + q3 достигались при избытке воздуха за котлом αк = 1,2, что примерно соответствует избытку воздуха в топке, равном αт= 1,1, причем потеря qз приближалась к нулю.

Рис. 118

Большую роль в смысле ускорения процесса горения в рассматриваемой топке играла накаленная обмуровка амбразуры горелки, выполненная из шамотного кирпича класса А. Тепловое напряжение объема топочного пространства в опытах достигало величины 370 тыс. ккал/м3 час. Ввиду расположения по фронту котла топочных дверок для сжигания твердого топлива две газовые горелки в этом котле были смонтированы так, что объем топочного пространства для факела использовался лишь частично.

Q/V в рассматриваемой топке фактически достигало значений 550 тыс. ккал/м3час.

Почти весь воздух, требующийся для горения, подводился в смесительную трубу горелки, а факел в большинстве случаев не выходил из пределов амбразуры, т. е. сжигание газа в этой топке приближалось к так называемому беспламенному горению.

Последний вид сжигания газа отличается тем, что в горелку подается полностью перемешанная горючая смесь газа со всем необходимым для сгорания количеством воз-духа и сгорание горючей смеси происходит в присутствии твердой накаленной поверхности. При этом полное сгорание газа достигается при минимальных избытках воздуха αт = 1,05.

Объем топочной камеры, приспособленной к беспламенному сжиганию газа, может быть резко сокращен, так как при этом достигаются весьма высокие удельные тепловые нагрузки - порядка десятков миллионов ккал/м3час. Если в ряде случаев к подобному сокращению объема не прибегают, то только из желания развить поверхность нагрева топочных экранов, воспринимающих тепло излучения и работающих поэтому с большой эффективностью.

Как уже указывалось выше, наилучшее смешение газа и всего воздуха, требующегося для горения, получается в струйных смесительных горелках. Низкое давление газа - порядка 20-50 мм вод. ст. - ставило препятствия в распространении подобного типа газовых горелок для беспламенного сжигания газа. В последнее время разработана (К- Н. Правоверовым и С. Н. Шориным) и внедряется (в первую очередь в бытовые приборы) смесительная газовая горелка беспламенного типа для сжигания газа низкого давления.

В промышленности беспламенные газовые горелки нашли широкое распространение, особенно в металлургических печах.

Изучением условий сжигания доменного газа под котлами промышленных котельных занимался ВНИИТ, причем большая работа по экспериментированию в области беспламенного сжигания доменного газа и выработке совершенных конструкций газовых горелок была проведена канд. техн. наук А. В. Арсеевым.

На рис. 119 приводится схема беспламенной горелки для сжигания доменного газа. Смесительная камера в этой горелке струйного типа, причем подсасывание производится не газом воздуха, а, наоборот, воздухом газа. Это связано с тем, что в большинстве случаев давление доменного газа в сети не превышает 100 мм вод. ст., а если учесть сопротивление по пазозому тракту до горелок, перед ними давление газа составит всего 60 мм вод. ст. и ниже. Воздух в смеситель горелки нагнетается центробежным вентилятором среднего дав тения и завихривается в улитке смесителя (рис. 120). После смесителя газовоздушная смесь направляется в трубу небольшого диаметра с целью повышения скорости выхода смеси, для того чтобы избежать возможность проскоков пламени в чугунную фурму горелки, имеющую водяное охлаждение (рис. 121). После фурмы газовоздушная смесь попадает в область высоких температур, создаваемых накаленными шамотными стенками; здесь смесь быстро загорается, и, проходя предварительную камеру (рис. 119), горящий поток распределяется на ряд параллельных потоков, идущих по туннелям. Предварительная камера и туннели выполняются из шамотного кирпича класса А. Температура горящего газа достигает теоретической температуры горения, которая для доменного газа в зависимости от избытка воздуха составляет 1300-1500°. В пространстве, окруженном раскаленными стенками туннелей, газ сгорает при теплвых напряжениях топочного объема порядка Q/V= 12-15 млн.ккал/м3 час. Скорость газовой смеси в туннелях составляет 40÷55 м/сек при сопротивлении газовому потоку в туннельной части горелки 75-50 мм вод. ст.

Рис. 119

Избыток воздуха, с которым происходит сжигание доменного газа, в этих условиях изменяется в пределах 1,05-1,1. Длина туннельной части горелки с целью обеспечения полного горения обычно выходит за пределы кладки топочных стен в 2 1/2 кирпича, доходя до 1 м. Если топки для сжигания газа, например, для возможности перехода на твердое топливо имеет развитый топочный объем (рис. 122), то туннельная часть могла бы быть сокращена в длину, так как догорание может происходить в указанном объеме топки для сжигания газа.

Рис. 121-122

Горелки для сжигания доменного газа следует монтировать наклонно (рис. 122) с целью обеспечить стекание шлака, образующегося от расплавления пыли, заносимой в туннели горелки вместе с газом. Мощность горелки, приведенной на рис. 122, равняется 2000 нм3/час.

Если имеется возможность обеспечить давление газа перед горелкой в пределах 120-150 мм вод. ст., то конструкция смесительной беспламенной газовой горелки значительно упрощается.

В таком случае струей газа подсасывается из окружающей среды воздух и газовоздушная смесь нагнетается в горелку (рис. 123). Установка такой смесительной газовой горелки отличается простотой (рис. 124).

Рис. 123-124

Большим достоинством этой газовой горелки является автоматическое регулирование подсасываемого струей газа воздуха в зависимости от расхода газа.